《高熵合金/碳纤维复合材料的界面调控及其在极端环境下的摩擦学性能研究》开题报告

《高熵合金/碳纤维复合材料的界面调控及其在极端环境下的摩擦学性能研究》开题报告

一、研究背景与意义

背景：

高熵合金（HEAs）因其多主元特性展现出优异的高强度、耐腐蚀和抗疲劳性能，但单一高熵合金在摩擦磨损应用中存在脆性高、润滑性不足的问题。

碳纤维（CF）具有轻质、高强度和自润滑特性，但单独使用难以承受极端载荷。

通过复合材料设计结合两者优势，并调控界面结合机制，可突破现有材料的性能瓶颈。

意义：

为航空航天、海洋装备等极端环境（高温、高载荷、腐蚀）提供新型耐磨材料解决方案。

推动复合材料界面科学理论的发展，填补高熵合金基复合材料在摩擦学领域的研究空白。

二、国内外研究现状

高熵合金研究：

国内外学者已开发出CoCrFeNiMn等经典体系，但多聚焦于力学性能优化，摩擦学性能研究较少。

复合材料界面问题：

现有研究集中在聚合物基或陶瓷基复合材料，金属基（尤其是HEAs基）界面结合机制尚不明确。

研究缺口：

高熵合金与碳纤维的界面相容性差，缺乏有效的界面改性方法。

三、研究内容与技术路线

研究内容：

材料设计：筛选高熵合金体系（如AlCoCrFeNi）与碳纤维的复合比例。

界面调控：采用磁控溅射、化学镀等方法在碳纤维表面构建金属过渡层（如Ni、Ti）。

性能测试：通过球-盘摩擦试验机、SEM/XPS分析磨损机制，评估不同温度（25～800℃）和载荷下的摩擦系数与磨损率。

技术路线：

高熵合金粉末制备　→　碳纤维表面改性　→　热压烧结复合　→　微观结构表征（XRD，　TEM）　→　摩擦学性能测试　→　数据建模与优化

四、创新点

方法创新：提出“梯度界面”设计，通过纳米过渡层缓解HEAs/CF的热膨胀系数失配。

理论创新：揭示极端环境下界面化学反应（如碳化物生成）对摩擦膜形成的影响规律。

五、预期成果

发表SCI论文2～3篇，申请发明专利1项。

获得摩擦系数≤0.2、磨损率<10⁻⁶　mm³/N·m的复合材料。

六、研究计划与可行性

阶段ﻩ时间ﻩ任务

1ﻩ1～3月ﻩ文献调研、材料筛选

2ﻩ4～6月ﻩ界面改性工艺优化

3ﻩ7～9月ﻩ性能测试与数据分析

4ﻩ10～12月ﻩ论文撰写与专利申请

可行性：

依托本校材料学院的热压烧结炉、摩擦磨损试验机等设备；

合作导师团队在金属基复合材料领域有前期研究基础。