[01361574]基于氧化物陶瓷特性的强韧化设计及其海洋腐蚀机制

本成果属于无机非金属材料及其复合材料设计领域。 陶瓷材料具有耐高温、耐磨损和比强度高等一系列优良的性能，但本质脆性限制了其实际应用。陶瓷增韧的方法和途径较多，例如晶须增韧、纤维增韧、金属颗粒增韧以及陶瓷本身的相变增韧等。考虑其增韧成本、危害和效率等因素，认为利用金属颗粒改善陶瓷韧性相对于其他方法具有明显优势，但金属与陶瓷基体的界面反应及在高温时容易氧化而致使陶瓷材料高温性能显著下降等问题，使得复合材料的实际韧性低于理论设计值，同时也降低了陶瓷的高温性能。 作为第二相增韧，其选取应遵循以下原则： (1)第二相与基体TZP具有良好的化学相容性，第二相与基体不发生化学反应； (2)基体与第二相有较好的物理相容性，主要是弹性模量与热膨胀系数的匹配性； (3)从改善陶瓷热震性能的角度考虑，第二相应具有较高的导热率、较低的热膨胀系数以降低热震过程的热应力，同时还应具有增韧效应以增大热震过程中裂纹的成核及扩展阻力。 铁铝金属间化合物的性能介于陶瓷和金属之间，被称为“半陶瓷材料”，与陶瓷的热力学亲合力大、抗氧化和抗硫化腐蚀性优异，高温强度较高。因此与一般金属相比，作为陶瓷的增韧相更具优势，所形成的复合材料可充分发挥组分各自的优点而具有优异的力学性能。 铁铝金属间化合物的致命缺陷是环境氢脆，通过陶瓷颗粒对金属间化合物的间隔作用，阻止氢的扩散从而抑制或消除氢脆。在此基础上，我们从一个独特的视角和思路切入了两种相关材料的复合化研究主题，提出了“包覆阻氢、互补增韧”复合韧化机制。针对金属间化合物氢脆和陶瓷增韧难以控制的问题，从微观设计和过程调控两大方面，实现了保证复合材料强韧性的微观结构：有利于增韧的内生纳米颗粒；类似于均匀分布纤维一样的原位生成棒晶；起到桥连作用的金属间化合物韧性颗粒；贝壳状强韧匹配的板条状组织，有利于提高材料品质一致性的界面结构等微观组织的形成。 海洋科技领域的发展是一项系统的工程，往往是诸多领域科技发展的集成，但就最重要的基础而言，常常依赖于材料科技的发展和突破，尤其将特别依赖于专用海洋材料的研究和进展。随着海洋科技研究的深入和拓展，无机非金属材料作为结构和功能部件在海洋石油及矿产开发特别是在深海探索过程中的使用将越来越广泛，然而，对其深海极端环境下的腐蚀机理研究很少，甚至是一个空白，这也是本项目的重要研究方向和内容。 研究过程获得7项国家自然科学基金的资助，发表相关论文106篇，其中EI收录26篇、SCI收录53篇，重点文章他引165次。出版专著3部，他引144次，获得2005年度山东省教育厅自然科学一等奖1项；获得发明专利2项，培养博士后8人，博士生21人，硕士19人。研究成果得到国内外同行的高度评价和认可。 本成果促进了复合材料学科研究的发展和进步： 提出了新的增韧机制与模式、发展了复合材料强韧化理论； 填补了铬元素在金属间化合物晶体学研究中的数据空白； 证明了合金化可以改善其本质脆性但不能消除环境氢脆； 推动了金属间化合物及其复合材料在海洋领域产业化进程； 推动了机械、海洋、冶金等行业的技术进步； 促进了材料研究从以往炒菜式尝试法向系统理论设计转变。