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標志性成果一：高性能難熔金屬材料
鎢鉬難熔金屬以高密度、高熔點等特殊性能在國民經(jīng)濟有著很重要的應用，被國家列為戰(zhàn)略物質(zhì)。然而，隨著空天飛行器、原子能等前沿科學和尖端技術(shù)的發(fā)展，要求材料具有高強韌、抗燒蝕等多功能，現(xiàn)有鎢鉬材料性能無法滿足要求，難熔金屬拓展應用面臨巨大挑戰(zhàn)。針對此，提出“納米/微納復合”，開辟了“納米/納微復合難熔金屬基復合材料”新領(lǐng)域。
實驗室取得的主要創(chuàng)新成果如下：
1、發(fā)明了超高溫輕質(zhì)難熔金屬基復合材料，為新型飛行器和航天發(fā)動機提供高性能關(guān)鍵高溫材料保障。
飛行器是目前世界各空天強國重點探索的領(lǐng)域，代表了國際空天技術(shù)發(fā)展的重大方向。飛行器在近地空間以Ma5~20長時間飛行，其前端關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件表面產(chǎn)生2000~3000℃高溫、承受強表面氧化和高動壓高過載沖擊。這對熱端構(gòu)件提出了極為苛刻的使用要求，要求具有優(yōu)異的高溫強韌、長時間抗氧化與輕量化等綜合性能，是國際公認最突出技術(shù)難題�，F(xiàn)有高溫材料因高溫強度低、抗氧化燒蝕差或密度高等不足而無法應用，成為飛行器研制的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。針對這一重大需求，創(chuàng)新提出“微納復合”設(shè)計思想，采用超高溫陶瓷相微納復合增強難熔金屬，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出表面原位自生長熱防護涂層，最終制備出超高溫輕質(zhì)難熔金屬基復合材料：其高溫強度比現(xiàn)有超高溫材料提高5倍，密度降低1/2；經(jīng)風洞和發(fā)動機反復考核，材料基體無破壞、表面近零燒蝕，實現(xiàn)了難熔金屬高溫強韌、長時間抗燒蝕和輕量一體化。該技術(shù)成果為國內(nèi)外原創(chuàng)，填補世界空白，為我國飛行器研制提供關(guān)鍵高溫材料保障，同時拓展應用于航空航天，滿足了發(fā)動機耐3000℃以上強沖刷、抗沖擊和抗燒蝕要求，成為多項國家重大高新工程定型產(chǎn)品。
2、發(fā)明了新型細晶高性能鎢基復合材料，成功應用于國防、新能源、微電子信息、原子能等高端制造，推動行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。
鎢基復合材料具有高密度、高強韌等特性，是國防軍工和國民經(jīng)濟諸多領(lǐng)域難以替代的關(guān)鍵材料。現(xiàn)有制備技術(shù)存在晶粒粗大、性能低、規(guī)格尺寸小等缺陷，難以滿足尖端技術(shù)發(fā)展要求。為解決這一重大難題，提出“納米原位復合”思想，發(fā)明金屬鹽溶液混合-快速噴霧干燥，實現(xiàn)粉末超飽和固溶和合金化，突破傳統(tǒng)W、Cu不相溶和W滲Cu理論禁錮與技術(shù)缺陷，解決了現(xiàn)有鎢合金強韌性低、晶粒粗大、組織不均勻問題，晶粒細化4~10倍，強度提高30%，延伸率提高2~5倍。建立了“納米原位復合”理論，獲國際鎢領(lǐng)域權(quán)威專家積極評價。與株硬集團聯(lián)合攻關(guān)，通過技術(shù)裝備集成創(chuàng)新，研制出系列高性能鎢基復合材料和超大尺寸鎢材，形成多種規(guī)格和品種產(chǎn)品，用于我國10多項重點、重大工程，為保障國家安全做出了重要貢獻；超大規(guī)格鎢材在國內(nèi)11家企業(yè)推廣應用，同時產(chǎn)品出口國外，應用于新能源、微電子信息等高端技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)濟效益顯著，性能達到國際先進水平，提升我國鎢材料國際競爭力。
3、發(fā)明了核聚變堆面向等離子體最關(guān)鍵全鎢偏濾器材料和部件制備技術(shù)，將我國鎢材料研究推向國際最前沿領(lǐng)域。
核聚變能是人類未來理想能源，與核裂變能相比具有無輻射、釋能大等優(yōu)點。為解決核聚變能可控利用，中、美、歐、韓、日、印七方成立了目前最大的國際合作項目—國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，我國也啟動了中國聚變工程實驗堆（CFETR）計劃。聚變堆運行時，面向等離子體材料承受高能等離子體持續(xù)長時轟擊，在表面產(chǎn)生2000℃以上高溫，對材料高溫性能和化學穩(wěn)定性提出了極高要求。鎢具有高熔點、良好化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，是未來聚變堆最理想面向等離子體材料。但現(xiàn)有鎢材料晶粒粗大、性能差，難以滿足服役要求。針對此，提出“納米/微納復合增強-納米梯度復合擴散連接”制備細晶全鎢偏濾器材料部件。采用稀土氧化物和碳化物納米/微納復合增強鎢，實現(xiàn)其高強韌和抗高熱沖擊，與現(xiàn)商業(yè)鎢相比，抗熱沖擊性提高50%。采用納米梯度復合擴散連接技術(shù)，實現(xiàn)鎢與熱沉結(jié)構(gòu)材料高強度冶金結(jié)合，連接強度比傳統(tǒng)提高2倍。研究成果被國際鎢領(lǐng)域權(quán)威刊物（RM&HM）主編評價為“鎢領(lǐng)域重大技術(shù)進展”，國際核聚變權(quán)威機構(gòu)法國原子能委員會評價“為全鎢偏濾器提供全新技術(shù)途徑”，將我國鎢研究引入國際最前沿。
以上成果近些年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、省部級一等獎1項、獲“全國創(chuàng)新爭先獎”及何梁何利科技進步獎，發(fā)表論文近100篇；獲國家發(fā)明專利11項，申請公開國家（國防）發(fā)明專利15項，申請公開美國專利1項。
標志性成果二：高速重載制動系統(tǒng)用摩擦材料
粉末冶金國家重點實驗室有著40多年的摩擦材料研發(fā)和制造歷史，研制的高性能摩擦材料已成功應用于各個領(lǐng)域，為我國C919大飛機、神舟飛船、高速重載車等制動系統(tǒng)提供了關(guān)鍵摩擦材料。取得的主要創(chuàng)新成果如下:
1、設(shè)計了高含量非金屬摩擦組元配方，研制了高耐磨高能制動粉末冶金摩擦材料，成功應用于高速鐵路和航空航天領(lǐng)域。
針對高能制動摩擦材料國產(chǎn)化的重大需求，開展了高耐磨高能制動粉末冶金摩擦材料及制備技術(shù)的研究與開發(fā)。揭示了高速制動條件下高速列車制動閘片材料關(guān)鍵摩擦組元和潤滑組元的高速制動協(xié)同作用機理，建立了制動閘片材料設(shè)計的基礎(chǔ)理論；闡明了強熱-機耦合條件下高速列車制動盤裂紋萌生及擴展和失效調(diào)控機理，完善制動盤材料組織結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化理論；揭示了高速列車制動摩擦系統(tǒng)材料工作界面復雜演變機制，獲取復雜苛刻高速制動工況下摩擦系統(tǒng)材料匹配性原理。依托本技術(shù)，研發(fā)了300-350km/h動車組、CRH1型動車組（燕尾型）、CRH1型動車組（非燕尾型）、CRH5型動車組（燕尾型）四個型號動車組的粉末冶金閘片。成果得到了成功轉(zhuǎn)化，成為湖南第一家，國內(nèi)第五家時速300至350公里高鐵的閘片供應商。
粉末冶金閘片的截面形貌和臺架試驗過程中緊急制動條件下的制動曲線
首次采用一套摩擦副實現(xiàn)了兩個空間飛行器對接時制動耗能、可靠傳扭和過載保護，解決了飛行器對接過程中的安全保證問題，發(fā)明了全功能（制動耗能、穩(wěn)定傳扭和過載保護功能）空間摩擦副；設(shè)計制造了全功能摩擦副的真空、大氣和高低溫交變條件下的摩擦磨損性能測試裝置，解決了空間摩擦副可靠性和壽命評估問題，成功保障了神舟系列飛船與天宮1號和2號的交會對接任務。
實驗室針對火箭高動載、高壓力要求，開發(fā)了以彌散強化銅為強化相的新型銅/石墨摩環(huán)材料，實現(xiàn)了性能較大幅度的提高。所研制的發(fā)動機渦輪泵端面摩環(huán)材料保障了新一代XXX發(fā)動機核心部分渦輪和渦輪泵在高壓、高轉(zhuǎn)速、大溫差的工況下順利工作。成功應用于我國于2016年6月25號和2016年11月3日發(fā)射的最新的運載火箭�！案吣湍ジ吣苤苿臃勰┮苯鹉Σ敛牧系难兄婆c產(chǎn)業(yè)化”獲2013年度湖南省科技進步一等獎。
2、發(fā)明了高性能碳陶摩擦材料及其摩擦副，在國際上率先成功將碳陶摩擦副應用于高速、重載和復雜環(huán)境下的制動系統(tǒng)。
碳陶復合材料具有密度低(~2.0g/cm3)、耐高溫、能載水平高、壽命長和全環(huán)境適用等優(yōu)點，被公認為是21世紀最有希望滿足高速、重載與苛刻環(huán)境制動需求的新一代高性能摩擦材料。
在國內(nèi)外首創(chuàng)了“兩步硅化-熔硅定向滲透”核心制備技術(shù)，突破了碳纖維彈性后效導致產(chǎn)品開裂的關(guān)鍵技術(shù)，以及控制基體SiC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，制備了短碳纖維增韌的高強度碳陶摩擦材料，與國際上現(xiàn)行采用連續(xù)碳纖維增韌和MSI技術(shù)制備相比，實現(xiàn)了原材料成本降低50%、制備周期縮短60%、能耗降低50%、綜合成本降低60%。
首次發(fā)現(xiàn)了Cu5Si促進磨屑形成摩擦膜作用和FexSiy的粘著增摩作用，發(fā)明了減震降噪、增摩擦減磨損碳陶摩擦材料配方，首次采用Cu5Si、FexSiy等組元調(diào)控碳陶摩擦磨損性能，顯著提高了碳陶制動產(chǎn)品的摩擦性能，實現(xiàn)了制動過程減震降噪，高能載制動增摩擦減磨損。經(jīng)美國Link實驗室檢測，制動噪音指數(shù)(Noise Index)降到了9.3，徹底解決了SiC易引起高制動噪音的難題。
設(shè)計、合成了嵌C網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)SiC基體，突破了碳陶摩擦材料切削和磨粒磨損金屬對偶的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了碳陶摩擦材料對各種制動系統(tǒng)的普適性，顯著拓廣了應用領(lǐng)域。同時實現(xiàn)了憎水增摩的SiC與親水潤滑的基體碳協(xié)同作用，有效解決基體碳遇水摩擦系數(shù)衰退的先天性問題。相關(guān)研究成果發(fā)表在Ceramics International等國際權(quán)威期刊，獲國際同行高度評價，碳陶摩擦材料研究創(chuàng)始人Walter Krenkel院士評價為“*****international reputation，breakthrough”。
碳陶摩擦材料制動盤，使用壽命提高了3倍，剎車效率提高了40%。直升機用碳陶制動盤摩擦副已經(jīng)達到裝機狀態(tài)水平，裝配有碳陶制動盤的產(chǎn)品在2014第十屆中國珠海航展上展出�！靶滦透咝阅芴继漳Σ敛牧霞捌涞统杀局苽浼夹g(shù)”獲2014年度湖南省技術(shù)發(fā)明一等獎。
實驗室開發(fā)的部分碳陶摩擦材料產(chǎn)品
標志性成果三：C/C復合材料
C/C復合材料耐高溫、抗熱震，但在高溫環(huán)境下易氧化和燒蝕，無法滿足尖銳前緣、翼緣、燃燒室等熱結(jié)構(gòu)部件在高溫、富氧和具有高速氣流沖刷的苛刻環(huán)境下長時間服役的需求。
基于此，近些年來，實驗室以973項目、863計劃、國際科技合作、國家自然科學基金以及航天科技合作項目等的開展為契機，總計投入經(jīng)費達3500萬元，始終圍繞超高溫陶瓷改性C/C復合材料及其構(gòu)件的基礎(chǔ)研究和工程化應用的研究方向，開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備技術(shù)和超高溫燒蝕行為的基礎(chǔ)研究，取得了主要科技創(chuàng)新貢獻包括：
1、利用固溶原子和反應擴散技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了具有零燒蝕特征的Zr0.8Ti0.2C0.74 B0.26四元含硼單相碳化物，闡明了其超高溫耐燒蝕原理。
在二十余種超高溫陶瓷涂層體系設(shè)計和制備技術(shù)的豐富經(jīng)驗和深厚積淀的基礎(chǔ)上，利用固溶和反應擴散原理，發(fā)明了可工程化應用的涂覆原位反應涂層技術(shù)，在C/C復合材料表面成功構(gòu)建了一種在2000-3000℃線燒蝕率為負值的Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26四元含硼單相碳化物超高溫陶瓷涂層，該陶瓷涂層能深度嵌入基體內(nèi)部，形成多元陶瓷相與C/C復合材料基體的完整結(jié)合。利用該制備思路，還可以合成一系列包含過渡族元素的多元單相陶瓷，大大擴充超高溫陶瓷涂層種類。
Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26超高溫陶瓷相涂層
相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》上，引起了國內(nèi)外的高度關(guān)注和反響，無論是世界權(quán)威學術(shù)機構(gòu)，還是美國、俄羅斯、英國等航天強國的主流媒體都對材料的創(chuàng)新性和領(lǐng)先性以及應用前景給予了充分的肯定和高度評價。
2、闡明了大尺寸異形多孔C/C坯體中陶瓷界面、陶瓷基體滲入機理，揭示了燒蝕行為及陶瓷相防護機制，構(gòu)建了制備技術(shù)原型及結(jié)構(gòu)調(diào)控方法。
針對大尺寸、異形結(jié)構(gòu)的超高溫耐燒蝕C/C復合材料構(gòu)件，系統(tǒng)開展了C/C復合材料自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制和制備技術(shù)一體化的研究。
闡明了碳源基團長程傳輸和過程控制的機理，實現(xiàn)了多孔C/C坯體中熱解炭結(jié)構(gòu)的有效控制，建立了包括低溫低壓定向滲透、仿形限域流場控制和炭源組分調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)的大尺寸異形多孔C/C坯體高效均勻制備技術(shù)。闡明了超高溫陶瓷相在多孔C/C坯體中的滲入過程機理和形成機制，形成了陶瓷相結(jié)構(gòu)形態(tài)控制技術(shù)，設(shè)計、制備了具有不同成分、結(jié)構(gòu)以及分布狀態(tài)的陶瓷復合界面和陶瓷基體，揭示了氧化燒蝕行為和陶瓷相防護機理，建立了多元超高溫陶瓷基體改性C/C復合材料制備技術(shù)原型。
纖維/基體界面處多層復合界面及斷口形貌
3、綜合陶瓷界面、陶瓷基體以及陶瓷涂層，構(gòu)建了多種陶瓷涂層/基體改性C/C復合材料體系，滿足了高性能航天器用大尺寸構(gòu)件的重大需求。
結(jié)合航天單位的相關(guān)型號研制需求，開展了一系列應用技術(shù)轉(zhuǎn)化工作，實現(xiàn)了航天C/C構(gòu)件長時間超高溫防氧化、抗燒蝕需求，可有效延長燃燒室使用壽命，確保了重大專項的順利研制進展。建立了包括高溫熔滲基體改性+包埋涂層技術(shù)等在內(nèi)的多種涂層/基體改性梯度結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)，闡明了陶瓷相的長時燒蝕行為及防護機制，很好的滿足了不同溫度范圍段的熱防護需求。研制的碳碳端頭帽試樣件，于2018年1月16日，通過了中國空氣動力發(fā)展與研究中心的長時間等離子風洞考核，試驗條件：（2700℃，25min，熱流 4.2～4.4MW/m2、燃氣壓力7～9KPa）。研制的試驗件，于2017年12月通過了飛行速度達17馬赫最高溫達3100℃的地面風洞燒蝕考核。
在其它工程應用方面，研制了國內(nèi)最大尺寸（Φ750mm×400mm）的碳/碳耐燒蝕喉襯材料(≥1.90g/cm3)，應用于國內(nèi)裝藥量最大（50噸）的一級發(fā)動機上，并于2016年9月22日成功通過了地面熱試車考核。開發(fā)了大尺寸異形C/C高效制備和成形技術(shù)，實現(xiàn)了1400mm量級、2500mm量級、3600mm量級某整體艙蓋底板和艙蓋底板組件的高效均勻增密，提供了大尺寸復雜艙段構(gòu)件，確保了重大專項研制進展。研制的抗雜散光主次鏡光欄(φ500×1000mm)和遮陽罩(800×800× 1000mm)等多通道掃描成像輻射計用薄壁(≤3mm)異型、大尺寸、高精度C/C復合材料組件，在“風云四號”衛(wèi)星上得到成功應用。另外，研究成果拓展用于民用領(lǐng)域，制備了花瓣式大尺寸新能源用異形C/C發(fā)熱體構(gòu)件、大尺寸C/C圓筒狀隔熱屏構(gòu)件以及C/C坩堝，滿足化工、新能源等對低成本高性能C/C復合材料的需求。相關(guān)成果于2015年獲得了湖南省科學技術(shù)進步一等獎。
標志性成果四：粉末冶金材料塑性變形過程中的超微結(jié)構(gòu)演變
采用先進表征手段、結(jié)合計算材料學，系統(tǒng)研究了多種粉末冶金結(jié)構(gòu)材料中位錯、孿晶、相變等在變形過程中的演化規(guī)律，探索了微結(jié)構(gòu)演化的共性問題，在此基礎(chǔ)上，通過組織調(diào)控，制備了高性能粉末冶金材料，取得的一系列創(chuàng)新成果。
1、首次明確了應力誘發(fā)HCP→FCC馬氏體相變兩種截然不同的機制，解決了國際學術(shù)界長期以來對該現(xiàn)象本質(zhì)理解的分歧。
實驗室與澳大利亞悉尼大學及美國Nebraska-Lincoln大學合作，以Ti、Zr、Hf為例，確定了應力誘發(fā)HCP→FCC馬氏體相變的兩種機制。首次從原子尺度闡明了基面型相變的不全位錯機制，將科學界對相變機制的理解向原子尺度推進一步；首次闡明了柱面型相變機制必須通過原子的“純遷動”和“剪切?遷動”機制實現(xiàn)，解決了國際研究者在該問題上長期存在的分歧。
FCC-HCP相界面不全位錯排列規(guī)律
2、系統(tǒng)研究了孿晶可動性等基礎(chǔ)問題，實現(xiàn)了鎂合金阻尼性能和孿晶界強化的可控理論，創(chuàng)立了孿晶界強化鎂合金與孿晶界阻尼鎂合金新方法。
鎂合金是當前結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的熱點之一，但利用孿晶界面最大限度強化鎂合金或提高阻尼性能是一直未解決的共性問題。實驗室通過與日本東北大學合作，獲得了孿晶界面結(jié)構(gòu)、可動性與合金成分和變形參數(shù)的定量規(guī)律，提出了孿晶界增強鎂合金的新方法，在國際上首次提出了利用孿晶界可動性來實現(xiàn)高強、高阻尼鎂合金開發(fā)的新思路。發(fā)表在IJP上的論文為2016年度ESI前1%論文。
鎂合金孿晶界可動性與時效、合金元素關(guān)系圖。
3、闡明了高熵合金的室/低溫拉伸行為和大塑性變形組織演化機制，提出了納米孿晶和微帶共同作用提高材料塑性的設(shè)計理念。
多主元高熵亞穩(wěn)材料因其新奇的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，是目前材料學屆的研究熱點。FCC高熵合金高的室/低溫塑性來源于密集納米孿晶的生成，但缺乏對孿晶生成過程和作用機制的認識。實驗室通過與英國鉆石光源合作，采用原位中子衍射和高分辨透射電鏡技術(shù)，闡明了FCC高熵合金室/低溫拉伸和大塑性變形時納米孿晶和微帶共同作用的機制，提出了納米孿晶和微帶協(xié)同提高材料塑性的新材料設(shè)計理念；同時在國際上率先基于分子動力學構(gòu)建了高熵合金納米尺度變形模型，闡明了FCC→BCC的相變誘發(fā)塑性、變形誘導非晶化等機制。
高熵合金單軸拉伸的分子動力學模型
4、精確測定了鋁合金、銅合金中重要物相的原子尺度結(jié)構(gòu)及析出序列，為材料的高通量設(shè)計及關(guān)鍵應用奠定了基礎(chǔ)。
Al合金與Cu合金是國民經(jīng)濟的重要材料。近年來發(fā)現(xiàn)Cu添加至Al-Mg-Si合金中可以促進β"相形核并提高合金強度，但作用機理尚不清楚。實驗室通過與比利時安特衛(wèi)普大學及澳大利亞悉尼大學合作，采用三維原子探針以及高角環(huán)形暗場成像等技術(shù)，首次發(fā)現(xiàn)Cu原子對β"相中Si3原子位置的優(yōu)先替代，所構(gòu)建的原子結(jié)構(gòu)模型已被海德魯公司、法國原子能委員會、莫納什大學等應用；同時實驗室研發(fā)了“熱軋淬火+預時效+組合形變熱處理工藝”和內(nèi)氧化-還原-燒結(jié)一體化制備技術(shù)，實現(xiàn)了Cu-Al2O3合金型材高效穩(wěn)定工業(yè)化生產(chǎn)，并已成功投產(chǎn)，獲2017年度國家科技進步二等獎（高強高導銅合金關(guān)鍵制備加工技術(shù)開發(fā)及應用）。
根據(jù)HAADF圖建立的含Cu的β"析出相的原子模型
近年來，通過精確的組織調(diào)控，制備了相關(guān)高性能粉末冶金金屬材料，解決了國家在重要領(lǐng)域上的材料應用需求。該方向成果共發(fā)表論文83篇（其中SCI收錄74篇），申請發(fā)明專利5項、獲得國家科技進步二等獎1項、教育部高等學校優(yōu)秀成果獎自然科學二等獎1項。
（資料來源：粉末冶金國家重點實驗室官網(wǎng)）
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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