三元碳化物陶瓷成分设计及裂纹自愈合研究

本项目开展了三元碳化物陶瓷的合成、力学性能、高温抗氧化性能及裂纹自愈合的研究。取得了如下研究成果： 1. 结合第一原理理论计算，通过成分设计，突破关键工艺参数，获得了致密的、不同微观组织的三元碳化物单相（Ti2AlC，Cr2AlC，Ti2SnC）、固溶体（Cr2Al(Si)C）以及复合材料(SiC/Ti3Si(Al)C2)；研究了工艺-组织-力学性能之间的关系。 2. 研究了Ti2AlC和Cr2AlC两种材料的高温抗氧化性能。结果表明，在材料表面形成致密的、连续的α-Al2O3保护层是赋予两种材料具有优异抗氧化性的主要原因。所获得的氧化数据为随后的裂纹愈合研究提供了可靠参数。 3. 针对Ti2AlC和 Cr2AlC两种代表性的三元碳化物陶瓷，开展了具有创新性裂纹愈合研究。系统研究了裂纹尺寸、愈合温度和时间、氧化产物等对Ti2AlC和 Cr2AlC材料裂纹愈合的影响。 1）所合成的Ti2AlC和 Cr2AlC两种材料不仅能快速愈合长度1～2 mm的裂纹（而传统的二元陶瓷仅能愈合长度小于450 µm的裂纹），而且愈合一定尺寸的裂纹后，材料的恢复强度高于其初始强度。如在Cr2AlC材料中引入长度330-340 µm的裂纹，其残余强度由初始强度500 MPa降低到429 MPa；经1100 ºC愈合4小时后，材料的恢复强度高达612 MPa。引入的裂纹、材料表面的孔隙以及加工缺陷的全部愈合是材料强度提高的主要原因。 2）实现了Ti2AlC陶瓷在同一位置多达7次“断裂-愈合”的过程，并量化了裂纹愈合后材料的力学性能，揭示了裂纹愈合机制。其机制主要是形成与基体结合良好的Al2O3 以及一些TiO2填充了裂纹。40多年来，陶瓷材料的裂纹愈合研究仅局限于一次性愈合事件（即在一定温度和时间愈合长度有限的裂纹，然后测试材料的力学性能），无法量化材料的力学性能恢复指标。目前，据报道仅有高分子材料能实现多次重复性“断裂-愈合”过程 。陶瓷材料具有多次裂纹愈合能力意味着其作为关键部件在高温苛刻环境下使用寿命和安全性大大提高，其后期的维修成本将大幅度下降。 本项目的研究对促进新型三元碳化物陶瓷材料在高温氧化环境下的应用具有重要的科学价值，对其它陶瓷材料的自愈合研究亦具有指导意义。 2100433B

三元碳化物材料集陶瓷和金属的优点于一身，是高温结构件和功能件的优选材料。若此材料在高温环境下能具有裂纹自愈合能力，则是人们所迫切期待的。但目前对各种陶瓷的自愈合研究仅局限于一次性引入微观裂纹使之愈合，缺少对裂纹的重复引入研究，无法量化材料自愈合后的性能指标。.本项目主要目标是开展三元碳化物陶瓷的高温性能和裂纹自愈合研究。研究内容包括：结合第一原理理论计算，控制关键参数，制备三元碳化物的单相、固溶体以及复合材料；研究各种新型材料的裂纹自愈合能力；通过成分设计，调控材料高温形成的氧化产物，研究不同氧化产物对裂纹愈合程度的影响；系统研究各种参数对裂纹愈合程度的影响；量化陶瓷材料裂纹愈合后性能指标；建立相关模型，揭示陶瓷材料的自愈合机制。本项目的研究对促进新型三元碳化物陶瓷材料在高温氧化环境下的应用具有重要的科学价值，对其它陶瓷材料的自愈合研究亦具有指导意义。

在ＴＥＭ下从位错层次上原位观察位错发射、增殖和运动对裂纹自愈合的影响；利用分子动力学模拟和计算的方法从原子层次研究裂纹自愈合的可能性、影响因素及控制参量；通过对韧性材料和脆性材料裂纹自愈合过程的观察，弄清韧性断裂及脆性断裂本质区别。 2100433B

在沥青路面刚出现细微裂纹时就利用感应加热自愈合技术加以修复，能够快速有效地解决其裂缝问题。本项目拟从细观裂纹愈合和宏观性能恢复两个层面上研究沥青混凝土的感应加热自愈合行为，建立其裂纹愈合效果随加热深度逐渐变化的梯度愈合理论。分别采用纳米CT扫描技术和三点弯曲实验研究沥青混凝土感应加热的细观裂纹梯度愈合规律和宏观强度恢复规律，揭示细观裂纹愈合与沥青混凝土宏观强度恢复之间的内在关系。通过有限元分析方法模拟沥青混凝土感应加热的愈合过程，揭示温度梯度、裂纹尺寸、沥青混凝土热常数、沥青含量与性能等因素对裂纹周围温度场的影响规律，结合裂纹的实际愈合情况，建立与沥青混凝土感应加热的裂纹梯度愈合过程相吻合的数值模型，构建沥青混凝土感应加热的梯度愈合理论。本项目的实验和模拟研究，将为沥青混凝土的自愈合行为提供一种细观-宏观相结合的分析方法，并为沥青混凝土感应加热自愈合技术的优化和应用提供理论依据。