[发明专利]一种多维度近零膨胀的TiVMo取向自复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及近零膨胀复合材料制备技术领域，具体地涉及一种多维度近零膨胀的TiVMo取向自复合材料及其制备方法，通过该方法制备的TiVMo取向自复合材料在具有低密度及高屈服强度的同时，能够在多维度(表现为两个相互垂直的方向)上实现近零膨胀特性，有望解决现有近零膨胀合金(包括铁基因瓦合金及亚稳β型钛合金)无法同时兼具低密度、高屈服强度及多维度近零膨胀的性能瓶颈，在生物医用材料、航空航天装备、精密仪器、温度敏感元件等高技术领域有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种多维度近零膨胀的TiVMo取向自复合材料及其制备方法。

背景技术

材料在受热时膨胀、遇冷时收缩的现象称为材料的热胀冷缩效应。这种热胀冷缩效应会影响精密部件的结构稳定性和可靠性，容易引发部件的结构改变及功能失效。因此，航空航天、电子敏感元器件、精密仪器等高技术领域亟需尺寸能够在一定温度区域内保持基本不变(也就是热膨胀系数接近零)的近零膨胀材料。事实上，设计和研发具有近零膨胀特性的材料一直是世界各国的科学研究前沿及应用研究热点，对于推动高技术领域的快速与健康发展具有重要的意义。

法国冶金物理学家Guilaume于1896年首次发现，当铁镍合金中的镍含量约为36％时，铁镍合金能够在居里温度以下很宽的温度范围内具有很低(接近零)的热膨胀系数。随后，人们将铁镍合金这种在居里温度以下热膨胀系数异常小甚至接近零的现象称为因瓦效应，并将具有该效应的铁镍合金命名为因瓦合金。自此开始，因瓦合金因其异常小甚至接近零的热膨胀系数引发了世界范围内的物理、材料及冶金学者的极大关注，并在测量器件、结构部件及光学透镜支撑系统等众多高技术领域获得应用。目前，因瓦合金的研究早已从传统的铁-镍体系逐渐拓宽至铁 -钴-镍、铁-钴-铬甚至铁-铂和铁-钯等贵金属体系。然而，目前研发的因瓦合金普遍存在密度过大(≥8.10g/cm³)和屈服强度较低(一般约300 MPa)的性能劣势，尚无法满足航空航天等高技术领域对其元器件轻量化和小型化的发展要求。

为了克服因瓦合金的上述性能劣势，自上世纪末开始，材料学者们便开始尝试在低密度的亚稳β型钛合金中实现近零膨胀的特性。目前，通过在亚稳β型钛合金中引入纳米尺度的马氏体相变，借助合金在降温过程中马氏体相变引发的晶格膨胀与材料固有的体积收缩之间的相互补偿效应，亚稳β型钛合金也能够在很宽的温度范围内获得近零膨胀的特性^[1-2]。然而，与因瓦合金借助磁致结构转变实现近零膨胀特性不同，亚稳β型钛合金近零膨胀特性的实现主要是基于纳米尺度的马氏体相变，而这种马氏体相变具有高度的方向(维度)依赖性。具体表现为，当亚稳β型钛合金发生纳米尺度的马氏体相变时，马氏体相变仅能在某一特定维度(通常为母相的110方向，宏观上对应钛合金的变形(包括轧制或锻压等)方向)引发晶格膨胀，而在与这一方向垂直的维度上晶格基本保持不变甚至轻微收缩。这意味着，亚稳β型钛合金在降温过程中仅能在某一特定维度(多对应钛合金的变形(包括轧制或锻压等)方向) 通过马氏体相变引发的晶格膨胀抵消合金固有的体积收缩实现近零膨胀的特性，而在其它维度(尤其是与近零膨胀方向垂直的方向)上并不具备近零膨胀的特性。因此，现有的亚稳β型钛合金的近零膨胀特征具有高度的方向(维度)依赖性，即：亚稳β型钛合金尚无法同时在多维度 (表现为两个相互垂直的方向)上实现近零膨胀特征。综上可见，现有的近零膨胀合金(无论是铁基因瓦合金还是亚稳β型钛合金)均无法同时兼具低密度、高屈服强度及多维度近零膨胀特性，限制了其在航空、航天及轻质精密仪表等高技术领域的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种多维度近零膨胀的TiVMo取向自复合材料及其制备方法，通过该方法制备的TiVMo取向自复合材料在具有低密度及高屈服强度的同时，能够在多维度(表现为两个相互垂直的方向)上实现近零膨胀特性，有望解决现有近零膨胀合金(主要是铁基因瓦合金及亚稳β型钛合金)无法同时兼具低密度、高屈服强度及多维度近零膨胀的性能瓶颈，在生物医用材料、航空航天装备、精密仪器、温度敏感元件等高技术领域有着广阔的应用前景。