青海省自然科学基金项目申报书.doc

青海省自然科学基金项目
申 报 书

√
资助类别： 面上项目 □ 青年项目
项目名称：
申报单位：青海大学
申 请 人：李丽荣
通讯地址：西宁市宁大路251号
邮 编：810016
联系电话：[phone]
传 真：
电子邮箱：jixiexi2005@
申报日期：

青海省科学技术厅
二○一一 年制

填 写 要 求

一、 本申报书仅适用于申报省自然科学基金的项目填写；
二、 请严格按表中要求填写各项，封面“资助类别” 选项须与“项目申报基础信息表”中的“资助类别” 选项一致；
三、 对于“项目申报基础信息表”中的选择栏目，采用在所选项空格内打√方式确定；
四、 基地名称限填国家基地(实验室)及省基地(实验室)，注明批准或认定部门；
五、 申报书文本中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写；“主题词”栏中的中、英文主题词数量均为3个，主题词之间用“/”分隔；
六、 申报书文本请采用标准A4幅面纸，于左侧装订成册，填报内容中项目申报基础信息表可在网上录入并打印，其它一律请采用四号宋体字打印。对于篇幅不够的栏目可自行加页；
七、 科技查新报告等附件须与申报书文本幅面相同并与申报书装订成一册。

一、项目申报基础信息表
项目名称
硼酸镁晶须增强铝基复合材料性能研究
资助类别
∨ 面上项目 □ 青年项目
经费预算
总额 20万元，其中申请补助　15万元
起止年限
2011-2013
基地名称

申请领域
（代码）
01数理科学；02信息科学； 03化学与化学工程；04农业与生物技术； 05医药科学；06资源与环境；07 工程与材料科学； 08新能源； 09其它
07
申报单位
名 称
青海大学
所在地
西宁
通讯地址
西宁市宁大路251号
邮 编
810016
单位类别
□科研院所 ∨大专院校 □事业单位
□企业 □其它
隶 属
□中直∨省直□其它
参加单位1
名 称

所在地

参与方式
□合作 □协作
参加单位2
名 称

所在地

参与方式
□合作 □协作
项目负责人及主要
参加人
项目负责人
姓 名
李丽荣
性别
女
出生
1961年01月
学历/学位
学士
职务
院长
职称
教授
电 话
0971-5311665
手机
13897117427
工作单位
青海大学
E-mail
jixiexi2005@
通讯地址
西宁市宁大路251号
研究领域

第一
参加人
姓 名
金培鹏
性别
男
出生
1961年1月
学历/学位
博士
职务
副院长
职称
教授
工作单位
青海大学
摘 要
（限400字）
硼酸镁晶须是一种非常便宜的且性能较佳的增强材料，其性能与碳化硅晶须类似，但价格只有碳化硅晶须的五十分之一左右，因此硼酸镁晶须增强铝基复合材料在性价比上具有极大的优势, 是一种非常有应用前景的铝基复合材料，项目拟采用搅拌铸造法制备硼酸镁晶须增强的铝基复合材料，并对其进行高温机械性能、尺寸稳定性以及摩擦磨损性能的研究，并与用于高温部件的其他金属材料进行对比研究，得到其使役环境范围，该种复合材料的外部因素以及内部因素对复合材料磨损机制的影响，具有一定的理论价值，可以丰富金属基复合材料摩擦磨损方面的内容，同时上述研究结果对指导该复合材料的应用具有实际价值。本项目的研究将能延长青海省相关企业的产业链，将同时对推动民用硼酸镁晶须增强铝基复合材料的产品设计和产业化进程以及扩大盐湖资源的利用范围等方面具有重要意义。
主题词
硼酸镁晶须；铝基复合材料；高温机械性能；磨损机制
预期成果
□ 国际领先 ∨ 国际先进 □省内领先 □省内先进

二、报告正文
参照以下提纲撰写，要求内容翔实、清晰，层次分明，标题突出。
（一）立项依据与研究内容（不少于3000字）：
1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）
(1) 研究意义
铝基复合材料具有高比强度和比模量、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、较高的高温机械性能以及抗疲劳、耐磨损等优良性能。 与钢相比，铝基复合材料的密度仅为钢的三分之一，耐磨性则与铸铁相当；与铝合金相比，导热率与其基本相当，抗拉和抗压强度及弹性模量大幅提高，热膨胀系数有较大幅度的降低。在铝基复合材料中，由晶须作为增强体的复合材料不仅强度和刚度远高于一般的短纤维和颗粒增强的铝基复合材料，而且在价格和生产工艺等方面比纤维、颗粒增强铝基复合材料更具优势。在民用产品中晶须增强铝基复合材料的应用前景看好，研究开发十分活跃，晶须增强铝基复合材料的新工艺、制作方法以及应用有都有着极大的发展空间。
在晶须增强铝基复合材料的研究中，SiCw由于非常昂贵，由其制备的铝基复合材料主要应用于航天航空领域，在民用产品上的应用较少。Al18B4O33w增强的铝基复合材料由于其界面发生了严重的界面反应，生成了脆性相MgAl2O4，同时界面反应对硼酸铝晶须有很大损伤，界面反应的控制非常复杂，因而也不利于产业化生产。相比SiC晶须及硼酸铝晶须增强铝基复合材料，硼酸镁晶须增强铝基复合材料有着其独特的优势。虽然硼酸镁晶须性能较碳化硅晶须略差，但硼酸镁晶须可以利用盐湖资源合成，其成本十分低廉，仅为碳化硅晶须的五十分之一，硼酸铝晶须的三分之一。截止目前为止的研究表明，硼酸镁晶须在增强镁铝基复合材料中无界面反应发生，这便于对界面进行控制和优化，同时，硼酸镁晶须在长度方向的热膨胀系数更加接近于铝合金的热膨胀系数，这将大大降低在制备过程中在近界面区产生很高的残余热应力，从而有效的降低应力集中，避免复合材料在低应力下的脆断。这些都为该类铝基复合材料在汽车工业中的应用创造了条件；硼酸镁晶须增强铝基复合材料必将在汽车工业得到更多的应用。表1为硼酸镁晶须增强铝基复合材料的潜在应用前景。
表1 硼酸镁晶须增强铝基复合材料应用前景
应用部件
制造方法
特性要求
螺栓，真空用腔体
压铸，挤压成型
耐热性高，强度高，极低的脱气性
连接部件，人造卫星
压铸，轧制成型
比强度高，低热膨胀，耐腐蚀
叶片，旋转式压缩机
压铸
重量轻，耐磨性，低热膨胀
自行车架
粉末冶金，HIP，模锻
重量轻，刚性大，强度高
活塞，海洋用柴油发动机
压铸
重量轻，耐热性，耐磨性
高尔夫球杆头
压铸，锻造
重量轻，强度，耐磨性
高尔夫球杆头
压铸
重量轻，强度，耐磨性
活塞，雪地车
压铸
重量轻，耐热性，耐磨性
活塞，汽车发动机
压铸
重量轻，耐热性，耐磨性
为了进一步提高性能、改善工艺性能、加工性能、降低成本和扩大应用，因此进一步开展铝基复合材料的应用基础研究和应用研究十分必要。
本项目针对研究硼酸镁晶须增强铝基复合材料在摩阻部件上的应用，开展摩擦磨损性能的基础研究，为拓展其应用提供理论依据。
(2) 国内外研究现状及发展动态分析
n 铝基复合材料的摩擦磨损性能
作为摩阻部件的刹车盘、刹车轂是各种交通工具（飞机、火车、汽车摩托车等）制动装置的重要构件之一，它的可靠性、耐久性关系到交通运输业的发展和生命财产的安全。随着高速公路的发展，铁路运输的提速，对制动构件的材料提出越来越高的要求。为了保证制动系统安全可靠，摩阻材料必须有稳定的摩擦系数，而且在高速、重载、频繁的工作条件下，摩擦系数的降低要小。另外，摩擦副必须耐磨，以保证制动装置一定的使用寿命。由于铝基复合材料既有铝合金比重小、导热快、热容量大的优点，又有铸铁的耐磨特性，因而成为研制新一代耐磨材料的首选。
从已有的研究现状来看，对铝基复合材料的摩擦磨损性能的研究主要集中在SiC颗粒及硅酸铝短纤维增强铝基复合材料上；而基体铝合金根据不同的研究情况而有所变化。毕敬等研究了SiC粒子增强铝基复合材料的耐磨性能，不同体积分数的SiC粒子的体积分数增强铝基复合材料的耐磨性测试在ML-10磨料磨损试验机上进行，磨料为600#棕刚玉砂纸，由表2可以看到，随着复合材料的增强相体积分数增加，复合材料的耐磨性提高，而同一种复合材料，则随着磨损压力的增大，复合材料的磨损率增加。在同样的体积分数下，磨损抗力随粒子直径减小而增加。
表2 2024铝合金和SiC粒子增强复合材料的耐磨性
材料

磨损量/(10-4g/mm)
10N
20N
30N
2024铝合金
6.75
11.70
16.5
15%SiC (3.5μm)/2024Al
4.85
5.85
10.3
15%SiC(20μm)/2024Al
3.35
4.01
5.60
30%SiC(20μm)/2024Al
0.25
0.70
2.85
Straffelini G等以汽车制动盘为研究对象，通过模拟台架试验，研究碳化硅粒子增强铝基复合材料的摩擦磨损机理表明，良好的基体塑性和适当的增强颗粒大小，有利于形成均匀、牢固的转移膜，从而减少复合材料的磨损量；复合材料的磨损量和铸铁相当，制动过程中温度升高低且均匀；从摩擦部件表面温度升高、轻量化等方面综合考虑，铝基复合材料在制动系统中的应用有明显的优越性，是理想的制动材料。湛永钟等评述了近年来关于颗粒增强铝基复合材料的干摩擦磨损行为的研究结果，从材料因素和外部条件两个角度分析了各种因素对材料耐磨性、摩擦系数和配偶件磨损的影响，表明复合材料界面是影响摩擦磨损性能的重要因素，颗粒对复合材料干摩擦性能的增强作用是建立在良好界面结合的基础之上的。通过对粒子增强铝基复合材料组分的优化选择、增强相表面处理、基体合金化及适当的热处理工艺得选择，可以获得良好的复合材料界面，得到摩擦磨损性能优异的颗粒增强铝基复合材料。
硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的耐磨性或摩擦磨损研究中表明，硅酸铝短纤维增强的铝基复合材料，很明显地改善了基体材料的耐磨性，并且磨损率随短纤维的增加而降低；由于短纤维的存在，使得耐磨性能明显提高，尤其是垂直于摩擦表面的纤维，具有更大的提高耐磨性的作用。通过SEM观察对比单一基体和复合材料的表面后可以看到强化纤维具有很好的抑制犁沟的延伸和扩展作用；马鸣图等曾通过控制短纤维方向的分布来研究平行于纤维分布方向和垂直于纤维分布方向的耐磨性，研究表明纤维平行于磨面时，磨损试验时纤维容易剥落，而当纤维垂直于磨面时，则纤维不易脱落，并与阻止基体磨损的作用有关。
由上面的叙述可以看到，铝基复合材料的磨粒磨损性能优于基体合金。然而，在不同条件下铝基复合材料在磨损过程中所受影响因素众多，影响因素可分为复合材料的内部因素和外部因素两大类，复合材料的内部因素包括基体以及增强相的种类、大小、体积分数、形状、取向、分布等。外部因素包括正载荷、滑动速度、滑动距离、环境温度对偶件等。许多时候缺乏稳定性和可比性。由国内外研究现状及发展动态可以看到，铝基复合材料的摩擦磨损行为的系统研究甚少；而本项目的工作之一就是对采用搅拌法制备不同体积分数的硼酸镁晶须增强铝基复合材料，在MS-T3000试验机上对其在液体石蜡润滑及干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行研究，分析两种工况下增强晶须、试验载荷和滑动速度等参数对复合材料摩擦磨损性能的影响并对复合材料磨损性能与用于磨损类部件的其他材料的磨损性能进行比较，从而为这种复合材料在耐磨件上的应用提供理论依据。
综上所述，硼酸镁晶须增强铝基复合材料的研究很少，尤其是对硼酸镁晶须增强铝基复合材料的摩擦磨损性能的研究非常缺乏。因而有必要开展以硼酸镁晶须为增强体的铝基复合材料在这些方面的基础研究和应用基础研究，从而为该类复合材料的广泛应用提供基础数据和理论依据。

2. 项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题。（此部分为重点阐述内容）
项目拟采用搅拌铸造法制备硼酸镁晶须增强的铝基复合材料，并对其进行摩擦磨损性能的测试分析，并与用于摩擦部件的其他金属材料进行对比研究，得到其使用范围。
从材料设计角度，针对材料中的三大组元：基体组元、摩擦组元、润滑组元研究如下问题：
在基体铝合金中，研究添加不同体积分数的硼酸镁晶须，达到提高材料耐摩性的目的。
研究在提高摩擦系数的条件下，如何选择合适的硼酸镁晶须添加量，从而提高材料的韧性；
在稳定摩擦系数和减少润滑组元含量矛盾中，研究不同的润滑条件对材料性能的损坏作用。
具体研究内容如下：
（1） 研究内容
n 不同体积分数及不同热处理机制的摩擦磨损行为
1、 不同体积分数的复合材料的性能及摩擦行为的研究，选择最优体积分数（合适的韧性强度及比较好的摩擦磨损性能）；
2、 不同热处理机制，导致不同的析出相，进而对材料摩擦磨损性能的影响。
n 复合材料磨损行为评价和分析
(a) 干摩擦条件下外部因素对复合材料磨损性能以及磨损机制的影响；
(b) 润滑条件下外部因素对复合材料磨损性能及磨损机制的影响；
(c) 对复合材料磨损性能与用于磨损类部件的其他材料的磨损性能进行比较研究。
（2） 研究目标
n 找到各种内外部因素引起的复合材料磨损机制的转变。
（3） 拟解决的关键科学问题
所制备的硼酸镁晶须增强铝基复合材料的摩擦磨损及使役行为。
3. 拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）
（1） 技术路线
搅拌铸造法制备复合材料
最优体积分数复合材料的确定
研究方法：1.不同体积分数复合材料的热处理
2.热处理前后摩擦磨损行为的研究
3.选择合适体积分数的材料
不同条件下复合材料摩擦磨损性能
及磨损机制的研究
1.干摩擦条件 2.润滑条件
复合材料磨损性能与用于磨损类部件的
其他材料的磨损性能比较研究
复合材料使役行为

（2） 研究方法及实验手段
关于研究内容1——最佳复合材料系的确定
n 对复合材料采用不同的热处理机制，确定不同析出相对摩擦磨损性能的采用金相显微镜、扫描电镜及EDS能谱分析确定热处理后的析出相，进而研究对材料摩擦磨损性能的影响。
n 通过对热处理前后不同体积分数复合材料性能的分析，进而确定最佳的复合材料系。
关于研究内容2——复合材料磨损行为评价和分析
n 使用正交试验法设计复合材料摩擦磨损行为的评价试验；
n 采用THT07-135高温摩擦磨损试验机评价和分析复合材料的磨损行为；
n 使用高精度电子天平称量磨屑，确定质量磨损率，进而绘制磨损曲线；
n 使用扫描电子显微技术对磨面以及磨损亚表面进行观察，分析复合材料的磨损机制。
（3） 关键技术
使用具有完全自主知识产权的制备硼酸镁晶须增强铝基复合材料的新型制备方法和工艺，制备出均质的复合材料。
4. 本项目的特色与创新之处。
首次使用超声搅拌方法制备复合材料，并对所制备出的复合材料进行系统的摩擦磨损性能进行研究。
5. 年度研究计划及预期研究结果。（包括拟完成的技术指标、组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等）
年度计划:
2011年度 制备出用于本研究的复合材料，进行复合材料高温机械性能的测试和分析并完成复合材料尺寸稳定性的研究。
2012年度 完成复合材料在干摩擦和润滑条件下的磨损性能研究。
2013年度 完成复合材料和其他磨损材料磨损性能对比研究。
预期研究结果:
（1）预期达到的目标
a、揭示复合材料在高温下的机械性能变化规律以及其尺寸稳定性；
b、外部因素对复合材料磨损性能的影响，得出复合材料最佳使用环境；
c、与用于高温部件和耐摩擦的其他金属材料进行对比研究，分析复合材料的优劣，为复合材料的进一步改性提供理论依据；
（2）技术指标
a、复合材料在300 ℃高温下的机械性能：
抗拉强度≥100MPa；抗压强度≥120MPa; 断后伸长率≥8%；弹性模量≥50GPa。
b、复合材料在300℃高温下的热膨胀系数≤19×10-6/℃。
c、复合材料在干摩擦条件下的磨损率比铝硅合金低20%，比铸铁低30%。
（3）成果形式
技术总结报告； 复合材料样件；发表的研究论文。
拟与2012年7月召开小型新型轻合金研讨会，届时将有部分国外专家前来进行交流和合作研究。
（二）研究基础与工作条件
1、工作基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）
青海大学是一所综合性大学，是“211工程”重点建设的高校之一、国家西部重点支持高校和省部共建高校。
青海大学建立了金属基复合材料研究团队，其中教授3人，讲师2人，助教1人。能够进行金属基复合材料的制备、表征、性能评价、界面行为以及复合材料塑性成形方面的研发。多年来，课题组成员已经在晶须增强轻合金基复合材料方面开展了大量工作，研究内容涉及复合材料的制备技术、界面行为、热处理对复合材料力学行为的影响、复合材料高温蠕变行为和复合材料摩擦磨损性能诸多方面，在复合材料制备及性能研究方面积累了较为丰富的理论和经验，掌握了相关研究技术。完成和承担包括科技部国际科技合作项目在内的各类科研项目8项，发表与项目直接相关的学术论文20 余篇（其中SCI、EI 收录论文8 篇）。在复合材料领域著名杂志“Composite Science and Technology”发表的关于硼酸镁晶须增强镁基复合材料界面行为的论文，审稿人认为研究结果具有创新性。另外在复合材料的热内应力的计算和模拟方面也在国际刊物上发表了系列文章，其中单篇他引22次。已申报复合材料领域的国家发明专利两项。
2、工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和省部级重点实验室等研究基地的计划与落实情况）
项目所在的研究小组拥有用于制备轻合金基复合材料真空气压渗流设备、外场作用下的复合材料搅拌铸造设备和用于复合材料塑性成形的热循环炉以及日本原装小型温轧机。
另外青海大学分析测试中心拥有日本进口扫描电子显微镜、德国进口的X射线分析仪、德国进口的热分析仪和电子探针等大型材料学表征设备。
摩擦磨损实验拟在兰州化学物理研究所的固体润滑国家重点实验室完成，已与该实验室建立了良好的合作关系。
3、申请人简介（包括申请人学历和研究工作简历，近期已发表与本项目有关的主要论著目录和获得学术奖励情况及在本项目中承担的任务。论著要求列出作者名次、论著题目、期刊名或出版社名、年、卷（期）等；奖励情况也须详细列出申请人受奖名次、奖励名称等级、授奖年等）
李丽荣，女，1968年生，学士，教授，青海大学硕士生导师，青海省自然科学与工程技术材料学领域学科带头人，参与完成国家科技成果1项，主持和参与完成青海省科技成果3项，参与国家主持西宁市经贸委项目1项，主持教育部重点实验室开放基金项目1项，参与完成国家科技部成果1项，作为第一协作单位参与国家863项目1项。曾荣获青海省教学成果二等奖，第二届亚洲华文教育教研教改优秀论文一等奖。拥有专利1项，在各类学术刊物上总计发表论文12篇。近年来从事新型合金及其复合材料、复合材料力学等方面的研究，在金属基复合材料的研究方向上形成了特色，在复合材料制备、组织分析、性能评价及界面行为等诸多方面已经取得了一定的研究成果。
近三年的代表性论文如下：
李丽荣，高德东，陈咏华. 混流式水轮机裂纹成因及其数值计算方法研究.设计与研究，2008,6（35）：12-17.
4、承担科研项目情况（申请人正在承担的省级以上科研项目情况，要注明项目的名称和编号、经费来源、起止年月、与本项目的关系等）
2009-2012 晶须增强镁基复合材料制备技术及成型机理研究，科技部国际合作项目，项目编号：2009DFA51830，100万人民币，该项目的研究为本项目积累了金属基复合材料的制备、表征和实验方法。

三、经费预算及年度投资计划表

项目经费预算 单位：万元
经费来源预算
经费支出预算
科 目
预算数
科 目
合计
专项经费
自筹经费
项目投资合计

支出预算合计
20
15
5
一、申请省科技厅拨款

一、人员费
2
2

二、单位自筹

二、设备费
3
3

三、其它

1．购置费

2．试制费

3．设备改造与租赁费
3
3

三、能源材料费
6
1
5

四、实验外协费
3.25
3.25

五、技术引进费

六、资料及印刷费
1
1

七、差旅费
2
2

八、会议费
2
2

九、项目管理费
0.75
0.75

十、其他费用

说明：项目组成员所在单位人员工资由财政支付的不得在资助项目经费中列支人员费。

分年度投资计划 单位：万元
投 资
年 度
合 计
资 助
贷 款
自 筹
其 它
备 注
2011

10

2012

5

5

项目总投资

15

5

19

四、项目主要参加人员情况表
编号
姓 名
出生年月
性别
职称
身份证号
单位名称
电 话
项 目 分 工
签 名
1
金培鹏
1961.1
男
教授
630105196101270619
青海大学
5311665
复合材料高温机械性能研究

2
王金辉
1982.11
男
助教
370782198211183672
青海大学
5310440
复合材料的制备

3
郭延宏
1979.10
男
讲师
630105197010231619
青海大学
5310440
复合材料热膨胀系数测试

4
马国俊
1981.06
男
讲师
632122198106120019
青海大学
5310440
复合材料的摩擦磨损性能研究

5
高 莉
1981.8
女
讲师
412823198108053220
青海大学
5310440
实验结果分析和整理

（注：项目组主要参加人员不包括项目申请者）

五、申报与推荐意见表
申请者承诺：
我保证上述填报内容的真实性。如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守《青海省自然科学基金管理办法》及有关科技计划的管理规定，切实保证研究工作时间，按计划认真开展研究工作，按时报送有关材料。若填报失实和违反规定，本人将承担全部责任。

申请者：（签章）
年 月 日
申报单位推荐意见：

主管领导签字（签章）： 单位盖章：

年 月 日
合作单位（一）意见：

签 章

年 月 日
合作单位（二）意见：

签 章

年 月 日
六、单位学术委员会意见

申报该项目的科研团队，具备金属基复合材料制备、组织分析、性能评价及复合材料界面行为等诸多方面进行系统研究的能力。团队目前已发表与研究方向直接相关的学术论文14篇（SCI收录4篇，EI收录4篇，完成与项目直接相关博士论文1篇，硕士论文4篇，已申请中国国家发明专利2项。该项目拟对硼酸镁晶须增强铝基复合材料在高温机械性能和摩擦磨损性能评价方面做系统的研究，具有新颖性并具有应用背景。
该项目研究内容和经济指标具体，具有可考核性，技术路线合理，可行性强。项目组成员结构合理精干，经费预算适量，如能得到资助，能完成研究内容，达到预定目标。

主任委员（签字）签章：

年 月 日