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在化工等行業(yè)存在既有強(qiáng)的酸堿腐蝕又有磨料磨損的工況，這些工況下常用的金屬材料很難同時(shí)具有抵抗腐蝕和磨損的能力，本成果將耐腐蝕性很好的樹(shù)脂與耐磨性很好的陶瓷顆粒復(fù)合，彌補(bǔ)了這一不足，這是本成果的特點(diǎn)之一。本成果的另一特點(diǎn)是用于局部磨損的大型工件的修復(fù)（如水輪機(jī)葉片），該工藝操作簡(jiǎn)單，實(shí)施容易，可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。因此具有很好的應(yīng)用前景。本成果技術(shù)創(chuàng)新在于陶瓷顆粒的

碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料耐腐蝕、耐高溫、耐磨損、韌性高，能夠廣泛用于能源、交通、化工等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，比如摩擦制動(dòng)材料、耐化學(xué)腐蝕葉片等。

銅優(yōu)良的塑性、韌性及導(dǎo)熱性使得銅基陶瓷顆粒復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能及良好的導(dǎo)熱性，使其能承受高速制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的壓力及磨擦表面瞬時(shí)高溫所產(chǎn)生的循環(huán)熱沖擊。高硬度的陶瓷顆粒在復(fù)合材料中充當(dāng)磨擦元素，使得銅金屬基陶瓷顆粒復(fù)合材料具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。但同時(shí)也存在自身磨損較大的特點(diǎn)。本技術(shù)的特點(diǎn)在于對(duì)復(fù)合材料中的陶瓷顆粒表面包覆銅膜，徹底改變銅基體與陶瓷之間的接觸狀態(tài)，使銅基體與陶瓷顆粒之間由相互之間的機(jī)械接觸轉(zhuǎn)變成界面濕潤(rùn)狀態(tài)，從而提高基體對(duì)陶瓷顆粒的支撐強(qiáng)度，使陶瓷顆粒能更充分的發(fā)揮其耐磨能力，在整體上表現(xiàn)為耐磨性提高，使用壽命延長(zhǎng)。 應(yīng)用前景： 隨著國(guó)內(nèi)電力機(jī)車(chē)的不斷提速及未來(lái)高速列車(chē)、擺式列車(chē)的應(yīng)用，列車(chē)的制動(dòng)能力對(duì)列車(chē)的運(yùn)行安全顯得越來(lái)越重要。制動(dòng)磨擦材料的工況特點(diǎn)是，摩擦速度高，在短時(shí)間內(nèi)吸收巨大的能量，摩擦面溫度急劇升高。目前普遍使用的金屬磨擦材料，其特點(diǎn)是磨擦系數(shù)較低且不穩(wěn)定，隨磨擦面溫度的提高及滑動(dòng)速度的增加使磨擦系數(shù)顯著降低。石棉等非金屬磨擦材料雖然具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，但磨擦表面的高溫會(huì)使其中耐熱性較低的橡膠、甲醛和酚醛樹(shù)脂等粘結(jié)劑碳化，使其喪失磨擦性能而損壞。碳—碳復(fù)合材料則由于成本較高，目前主要用于飛機(jī)的剎車(chē)裝置中。因此，金屬基陶瓷復(fù)合材料就成為高速列車(chē)首選的制動(dòng)材料。它亦是汽車(chē)、摩托車(chē)及其它載運(yùn)工具的剎車(chē)制動(dòng)部件的換代材料。

陶瓷擁有很多有用特性，如高強(qiáng)度、高硬度以及耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是無(wú)法輕易制成復(fù)雜形狀。 3D打印技術(shù)能使陶瓷擁有復(fù)雜的形狀，但陶瓷極高的熔點(diǎn)又限制了這一方法的使用。 目前幾項(xiàng)陶瓷的3D打印技術(shù)不僅效率低下，且打印出來(lái)的產(chǎn)品往往內(nèi)部缺陷大，無(wú)法保證性能，本項(xiàng)目采用選擇性激光熔融技術(shù)和后續(xù)處理工藝可以大幅度提高打印材料的致密性，既能實(shí)現(xiàn)材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也保障了材料的各方面的性能。

冶金、電力、建材、化工等行業(yè)存在著大量既具有酸堿腐蝕又具有磨料磨損、或既具有高溫氧化又具有磨料磨損的嚴(yán)酷磨損工況，這些工況下目前常用的不銹鋼或耐熱鋼，其價(jià)格昂貴，只具有較好的抗腐蝕性與抗高溫氧化性，耐磨性很低。本成果則將硬度高，可作為抗磨骨干材料使用的陶瓷顆粒與不銹鋼或耐熱鋼類(lèi)鋼鐵材料復(fù)合，形成一定厚度的表層復(fù)合材料，可用在工件的某一磨損局部，打破了傳統(tǒng)材

本項(xiàng)目采用元素粉末法制備高性能的亞微米陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，突破了亞微米顆粒在基體中的分散和鋁基復(fù)合材料的二次加工困難瓶頸難題，制備的亞微米陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比剛度、熱穩(wěn)定性，較低的熱膨脹系數(shù)，優(yōu)良的導(dǎo)熱、耐磨、耐腐蝕性等特點(diǎn)，機(jī)加工表面光潔度高。亞微米陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成功制備，在金屬基復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用方面取得了突破性的進(jìn)展。 亞微米陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是一種極具潛力的工程材料，其在航空航天領(lǐng)域、汽車(chē)裝甲、電子封裝、高輕化自行車(chē)等方面取得了大量應(yīng)用。其中以碳化硼為增強(qiáng)體的B4C/Al復(fù)合材料耐磨性很高，在制造噴砂嘴、電觸點(diǎn)、摩擦和耐摩擦材料時(shí)得到了廣泛的應(yīng)用，并且在機(jī)器和設(shè)備端部密封件上，碳化硼為基體的B4C/Al復(fù)合材料也有出色表現(xiàn)。此外，碳化硼具有良好的耐酸堿腐蝕性能，在有氣體腐蝕條件下工作時(shí)，效果極佳，用亞微米B4C制備的B4C/Al復(fù)合材料制備的噴砂嘴和噴丸機(jī)噴嘴在標(biāo)準(zhǔn)條件下顯示出的高強(qiáng)度，為鎢硬質(zhì)合金強(qiáng)度的5～11倍。先后設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了高尺寸穩(wěn)定性高導(dǎo)熱易加工電子封裝復(fù)合材料制品，如印刷電路板板芯、軍用功率混合電路、微波管的載體、多芯片組件等。亞微米SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高耐磨性、良好的耐高溫性和抗咬合性能等特點(diǎn)，在高速列車(chē)剎車(chē)盤(pán)，制動(dòng)盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和齒輪箱等以及現(xiàn)已用于越野自行車(chē)上的車(chē)鏈齒輪具有廣闊的應(yīng)用前景。從前瞻性、戰(zhàn)略性、經(jīng)濟(jì)性和基礎(chǔ)性這幾個(gè)角度來(lái)考慮，亞微米陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展符合具有高性能價(jià)格比，有待迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的要求趨勢(shì)。本項(xiàng)目圍繞航空航天用大尺寸關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件、光機(jī)結(jié)構(gòu)件與精密儀表零件、電子封裝器件、核能領(lǐng)域屏蔽材料等應(yīng)用背景，部分研究成果已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。先后設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了高尺寸穩(wěn)定性高導(dǎo)熱易加工電子封裝復(fù)合材料制品；制備的亞微米碳化硼增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被應(yīng)用于制造核廢料處理容器；應(yīng)用于高速列車(chē)剎車(chē)盤(pán)，制動(dòng)盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和齒輪箱等。

本發(fā)明提供了一種低溫鍵合制備銅-陶瓷基板的方法。首先將銅合金片選擇性腐蝕得到含多孔納米結(jié)構(gòu)的銅片，然后在一定的溫度、壓力和保護(hù)氣氛作用下，將銅片熱壓鍵合到沉積有金屬薄膜的陶瓷片上，得到單面或雙面含銅層的銅-陶瓷基板，最后通過(guò)圖形腐蝕工藝制備出含金屬線路的金屬化陶瓷基板。由于納米尺度效應(yīng)，可以在較低的溫度和壓力下實(shí)現(xiàn)銅-陶瓷間高強(qiáng)度鍵合，與現(xiàn)有 DBC(直接鍵合銅-陶瓷基板)和 DPC(直接鍍銅陶瓷基板)工藝相比，本方法生產(chǎn)成本低，基板性能高，特別適合于批量制備金屬化陶瓷基板。

衛(wèi)星在軌運(yùn)行和返回過(guò)程中需經(jīng)歷極端高低溫環(huán)境，構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定是保證衛(wèi)星在軌高精度、返回高安全、任務(wù)高可靠的關(guān)鍵。針對(duì)衛(wèi)星搭載的某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配極易導(dǎo)致的載荷在軌及返回過(guò)程中載荷接收精度不穩(wěn)定、信息傳輸不連續(xù)等問(wèn)題。我校陳駿教授團(tuán)隊(duì)以原創(chuàng)的負(fù)熱膨脹技術(shù)研發(fā)了具有輕質(zhì)、熱膨脹系數(shù)低、力學(xué)性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好的高性能低膨脹鋁基復(fù)合材料，并研制了系列關(guān)鍵連接內(nèi)置件、環(huán)件等高性能低膨脹構(gòu)件，首次將負(fù)熱膨脹技術(shù)應(yīng)用到我國(guó)的衛(wèi)星上，填補(bǔ)了高性能低膨脹金屬構(gòu)件在工程應(yīng)用領(lǐng)域的空白。該技術(shù)使得某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體之間熱膨脹匹配性增強(qiáng)、界面應(yīng)力大幅度減小，保證了衛(wèi)星在軌與返回過(guò)程中信號(hào)高精度傳輸與接收，助力衛(wèi)星成功返回。 圖1 實(shí)踐十九號(hào)衛(wèi)星成功返回（圖片來(lái)源國(guó)家航天局） 圖2 高性能低膨脹鋁基復(fù)合材料及構(gòu)件應(yīng)用于全球首顆可重復(fù)使用返回式技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（圖片來(lái)源央視新聞?lì)l道）

編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料由于其耐高溫、抗氧化的特點(diǎn)，是高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件最有應(yīng)用前景的候選材料。在此背景下，研究開(kāi)發(fā)了編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析技術(shù)。 項(xiàng)目通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱固耦合平衡方程推導(dǎo)建立了熱固耦合雙尺度漸進(jìn)均勻化分析方法，得到宏細(xì)觀物理量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系偏微分方程。利用變分原理推導(dǎo)得到宏細(xì)觀物理量對(duì)應(yīng)關(guān)系方程的有限單元形式，完成熱固耦合雙尺度漸進(jìn)均勻化分析程序的開(kāi)發(fā)；針對(duì)編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的多尺度結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成了復(fù)合材料的細(xì)觀、微觀多尺度RVE建模方法研究。最后，通過(guò)引入材料分布模型描述復(fù)合材料構(gòu)件局部材料坐標(biāo)，建立了復(fù)合材料構(gòu)件宏細(xì)微觀多尺度熱固耦合分析體系。 此項(xiàng)技術(shù)通過(guò)多尺度RVE建模、熱固耦合雙尺度均勻化分析能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)陶瓷基復(fù)合材料及其構(gòu)件的熱力學(xué)性能，得到相關(guān)材料參數(shù)，為材料的應(yīng)用提供分析方法。應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，復(fù)合材料熱力學(xué)性能預(yù)測(cè)值與材料單位提供的實(shí)驗(yàn)值相吻合，預(yù)測(cè)的宏觀彈性模量與拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)量值最大相對(duì)誤差12%以內(nèi)。同時(shí)開(kāi)展陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)變預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值最大相對(duì)誤差7%以內(nèi)。

PbTe材料體系作為p型熱電材料有著優(yōu)異的性能，不但呈現(xiàn)出較高的熱電優(yōu)值ZT=2.3@923K（Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2056），并且在室溫到900K的溫度范圍擁有較高的平均熱電優(yōu)值ZTave=1.56，因而其理論發(fā)電效率可達(dá)20.7%（Nat. Commun. 2014, 5, 4515）。這兩篇論文從不同的方法和機(jī)制出發(fā)，在n型PbTe研究上實(shí)現(xiàn)了重大突破，極大地平衡了n型PbTe相較于p型材料性能的劣勢(shì)。 第一篇論文中，該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)InSb的復(fù)合及實(shí)驗(yàn)條件的控制，有效地在PbTe基體材料中引入多相納米結(jié)構(gòu)，可同時(shí)優(yōu)化該材料體系的熱、電輸運(yùn)性能。一方面，納米相和基體之間的能量勢(shì)壘（勢(shì)阱）可以通過(guò)能量過(guò)濾效應(yīng)提高Seebeck系數(shù)，進(jìn)而增強(qiáng)功率因子；另一方面，多重納米相的引入增強(qiáng)了界面處的聲子散射可降低晶格熱導(dǎo)率。最終，在n型PbTe-4％InSb復(fù)合材料中，獲得極高的熱電優(yōu)值ZT=1.83（773 K），是目前n型PbTe材料體系中的最高值。