[973]高性能铝材与铝资源高效利用的基础研究

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1、项目名称：高性能铝材与铝资源高效利用的基础研究首席科学家：张新明中南大学起止年限：2005-12-1依托部门：教育部科研中国[www.SciEi.com]收集于网络，仅供参考一、研究内容拟解决的关键科学问题科学问题1：铝的矿物分离与提取的分子行为与调控在我国铝土矿资源利用与原铝提取方面，重点解决我国不同类型及低品位铝土矿铝-硅矿物的选择性浮选分离与综合利用、选精矿氧化铝制备及高品质原铝低能耗提取复杂过程中的基础理论问题。难点是:不同类型铝土矿及低铝硅比铝土矿的矿物组成、化学成分、铝硅比、晶体结构、嵌布特性与可分选性差异大，硅矿物和杂质矿物含量高，浮选体系杂质离子影响多，多种不同铝硅矿物

2、间浮选分离难;而且,浮选尾矿及铝土矿中稀散金属的综合利用复杂等。随着小分子有机物增加，选精矿溶出后铝酸钠溶液体系组成和组元间相互作用复杂，其溶液结构性质和反应性能表现出显著的时效性；现有的物理结晶理论不能完全反映铝酸钠溶液中氢氧化铝化学反应结晶的本质；铝酸钠溶液的深度快速分解和大颗粒高强度优质产品的形成，在动力学上是一对矛盾体，这些问题在选精矿生产氧化铝过程中更为突出。。而原铝制备体系中，惰性电极与现行电解质熔体相互作用及杂质离子行为难于调控，导致惰性电极节能型铝电解槽的动力学稳定性差，障碍高品质原铝的低能耗制备。针对上述难点问题，需要解决铝硅分离高效能浮选药剂结构与性能关系；复杂离子

3、溶液体系中，铝硅矿物表面电性、润湿性、吸附性的定量关系；铝硅矿物及气泡间的相互作用，不同晶面疏水-亲水的微结构调控;选择性聚集、分散与异凝聚行为的界面力及流体动力学相互作用规律与调控；确定铝土矿浮选分离体系中复杂组分相互作用规律与高性能浮选剂分子组装设计原理。需要解决选精矿溶出的铝酸钠溶液在分解过程中含铝组元的分配机制；氢氧化铝化学结晶机制；铝酸钠溶液分解和氢氧化铝结晶的动力学协同性等科学问题，建立选精矿提取氧化铝的基元演变与结晶行为调控原理和方法。必需解决最适宜于惰性电极的新型铝电解质体系组成及工艺调控方法，探明新型铝电解槽的物理场耦合分布、演变及其对惰性电极性能影响规律，揭示惰性电

4、极在新型电解质和新型结构电解槽中的电极过程、腐蚀行为与缓蚀机制。在此基础上，建立我国铝土矿资源高效利用与原铝高效低能耗制备的理论体系。其关键科学问题是：铝的矿物分离和提取的分子行为与调控。科学问题2：高性能铝合金特征微结构形成、演变和对环境的响应规律科研中国[www.SciEi.com]收集于网络，仅供参考铝合金高技术装备服役过程中，材料所处环境严酷，承受交变或冲击载荷，发生腐蚀、疲劳、冲击破坏。这要求在高强高韧的基础上，全面提升高强铝合金耐腐蚀、耐疲劳、抗冲击的关键服役性能。高强铝合金基体中弥散分布着三类不同尺度第二相（微米结晶相、亚微米弥散相和纳米析出相），第二相组态和相界、晶界结

5、构（包括析出相形态、无析出带）与合金成份和制备过程各环节密切相关，复杂多变，合金性能对多尺度多相微结构的变化极为敏感，各种基本性能及服役性能的组织调控方向存在差异。在强韧化平台上，提高铝合金耐腐蚀、耐疲劳或抗冲击性能，需要在保持高强高韧基本组织模式基础上，寻求同时满足耐蚀或耐疲劳或抗冲击的特征微结构，这是材料科学中高难度的前沿问题。其难点是：确立高强高韧铝合金的高服役性能所对应的最佳组织模式及其形成途径。这需要研究铝合金不同性能间尚未明了的相互依存或矛盾关系。在腐蚀、疲劳、冲击等服役过程中，合金微结构处于变化之中，合金组织与这类性能的关系极为复杂，首先需要研究高强铝合金多相微结构在这些

6、过程中的演变规律及环境损伤失效机制，寻求耐损伤失效特征微结构，从而提出耐腐蚀、耐疲劳、抗冲击性能优化的方向。然后结合强韧化组织模式要求，确立服役性能最佳特征微结构。另一方面，针对目标组织模式，在化学冶金过程已提高原铝品质的基础上，需进一步综合运用合金化、外场凝固、强加工、多级固溶－时效及机械热处理等方法，确立高强铝合金耐腐蚀、耐损伤、抗冲击破坏特征微结构的形成途径，研究制备过程中特征多相微结构的演变规律及精确调控方法，建立铝合金关键性能的特征微结构形成理论。多尺度第二相是决定铝合金强韧性的基本因素。前期铝973建立了多尺度第二相的强韧化作用理论和调控技术，在发展纯净化和强化固溶消除微米

7、结晶相的同时，形成高度弥散析出的纳米强化相组态，构筑了强韧化平台。由于界面在腐蚀、疲劳和冲击中成为薄弱部位，本期铝973我们提出多尺度第二相与界面协同作用的组织模式设计思想，通过研究界面特别是晶界行为、作用、调控方法及其与第二相的协同效应，在强韧化平台上，突破铝合金耐蚀、耐疲劳、抗冲击性能。其中涉及的关键科学问题可归结为：高性能铝合金特征微结构形成、演变和对环境的响应规律。科学问题3：大规格铝材的流变特性和内应力场演变大规格高强铝合金构件的制备