[973]高性能铝材与铝资源高效利用的基础研究

科研中国[]收集于网络，仅供参考项目名称：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[]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、科研中国[]收集于网络，仅供参考晶界结构（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与组织性能调控是一个国家铝加工能力与水平的重要标志。大规格铝材制备的难题是：外场环境、制备界面和铝材本身组分结构的不均匀性特征更为突出，凝固、流变过程中的各种能量流（温度场、流场、变形）的不均匀性十分显著，各工艺过程能量的富集与疏散、转化的差距增大，组织演变状态不一，最终导致材料的内部残余能量分布不同，微观组织空间上处于非均匀分布状态，大规格铝材呈现显著各向异性，甚至产生严重的内、外部缺陷。实现高性能大规格铝材的制备，需探明大型铸锭制备过程和大规格铝材塑性变形过程中能量传输、材料流变与内应力控制方面的规律，以及微结构与内应力的演变过程与分布规律；实现大规格铝材组织、性能均匀和残余应力最小的外场调控；建立高性能铝合金大规格铝材制备与加工的工艺原理；解决凝固成形过程中的裂纹产生、大构件塑性加工内部残余应力和组织成分均匀控制等关键问题。其关键科学问题是：大规格铝材的流变特性和内应力场演变。科研中国[]收集于网络，仅供参考主要研究内容围绕科学问题1----铝的矿物分离和提取的分子行为与调控，展开以下三个方面研究：1）铝土矿浮选分离与综合利用体系中高性能浮选剂分子组装及复杂组分相互作用(1)低铝硅比铝土矿高效浮选剂结构-性能:研究铝、硅矿物浮选剂极性基及连接原子的电子因素与空间因素；非极性基疏水-亲水能力，烃链间的缔合作用、结构与性能；矿物表面剩余价键特性与浮选剂的静电、氢键和化学作用；针对特定的铝土矿浮选分离体系，进行浮选药剂的功能、结构与合成设计；研究合成的新型高性能浮选剂对各种铝硅矿物表面电性、润湿性及浮选行为的影响，建立铝、硅矿物高效浮选剂分子组装设计理论。(2)铝、硅矿物选择性聚集与分散行为:研究铝-硅矿物表面物理化学性质及其界面相互作用的范德华力、静电力、水化力、疏水力及流体动力学行为；研究同质，异质颗粒，粗粒与微细粒颗粒，在不同流场中碰撞、分散／聚集时，动能－界面能间的平衡,微结构调控的聚集与分散行为；建立微细粒铝、硅矿物选择性聚集、分散及与界面力相互作用和流体动力学调控理论体系。(3)低铝硅比铝土矿浮选溶液化学:研究金属离子和矿物阴离子及其水解组分在矿物/溶液界面的吸附，对矿物表面电性与浮选剂相互作用和分选的影响规律；研究复杂离子溶液体系中，浮选剂在矿物表面的吸附，不同铝硅比的矿物集合体的表面特性及与浮选剂作用的界面反应机理。研究铝硅矿物晶体结构与晶内、晶间结合力的关系；研究铝-硅矿物/浮选剂／水溶液体系中，各种相互作用溶液化学行为及复杂界面相互作用，确定不同铝硅酸盐矿物间选择性分离及与一水硬铝石选择性分离调控原理。形成一水硬铝石型铝土矿浮选分离技术体系。(4)铝土矿综合利用基础研究:研究尾矿中不同铝硅酸盐矿物间的分离与富集行为;浮选尾矿机械化学和热处理过程复杂铝硅酸盐矿物的物化性质变化规律，基于不同工艺控制的成分设计合成陶瓷材料、耐火制品等矿物材料的理论技术；研究机械活化制备多孔材料的基础理论及材料性能表征，确立尾矿结构—孔性能的对应关系；研究尾矿化学改性理论和超细功能材料的性能表征，合成新型表面改性剂，形成粒子组合协同改性聚合物的技术原型。研究稀散金属(镓、钪等)在铝土矿原矿、浮选精矿和尾矿中的赋存行为。2）选精矿高效提取氧化铝的物理化学基础(1)选精矿提取氧化铝溶液体系中组元的分配与调控：研究选精矿提取氧化科研中国[]收集于网络，仅供参考铝过程中有机物杂质、硅和铁等无机杂质离子的结构形态及其在铝酸钠溶液分解过程中的演变与分配规律；研究杂质与含铝组元相互作用（质子或电荷转移，溶剂化效应，范德华作用等）的规律及其对含铝组元（特别是氢氧化铝的生长基元）的组成、结构、缩合性能影响的机制；探索含铝组元在铝酸钠溶液分解过程多个平行反应中的分配机制及调控原理。阐明有机物和硅、铁杂质的调控原理，提出促进有利于生长基元形成的溶液化学条件。(2)铝酸钠溶液分解过程中氢氧化铝化学结晶机制：研究生长基元缩合动力学规律；探索铝酸钠溶液中各种形态铝酸根、各种维度生长基元以及残余杂质、溶剂等组元的界面微观动力学行为；研究溶液中群分布氢氧化铝晶体的粒度与强度演变的规律及其对环境条件（CO2、辅助剂、超声场、温度等因素）响应的规律。揭示氢氧化铝成核、生长、附聚各步骤的微观机理与动力学规律，阐明氢氧化铝化学结晶机制，提出结晶过程调控方法。(3)基元演变与氢氧化铝结晶的耦合强化原理与方法：研究铝酸钠溶液深度快速分解为有利生长基元过程与氢氧化铝成核、附聚和生长各步骤的动力学协同规律；探索生长基元快速生成与氢氧化铝可控结晶的动力学耦合规律，明确氢氧化铝耦合强化结晶的原理。设计外场加速生长基元形成，通过晶体生长调整剂调控成核-生长-附聚的界面动力学行为，提出氢氧化铝耦合强化结晶技术原型。3）高品质原铝低能耗制备体系中新型电极与熔体相互作用机制及杂质行为(1)新型低温铝电解质熔体的离子结构与行为：研究熔体组成、结构与性质（包括初晶温度、Al2O3的溶解度与溶解速度、电导率、蒸汽压、粘度等）关系，研究熔体络离子的阴、阳极放电过程及其对惰性电极性能的影响规律，研究熔体与Al作用的本质与特征，研究惰性电极组元与熔体络离子相互作用及生成离子的结构与迁移特征，揭示惰性电极的腐蚀行为与缓蚀机制，获得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。(2)新型铝电解槽的物理场分布、演变及其对熔体离子行为的影响：针对采用惰性阳极和TiB2涂层惰性阴极的新型铝电解槽，建立包括电、磁、热、流和应力五大物理场的整槽物理数学模型，实现多物理场整体耦合仿真计算；研究各物理场之间的相互耦合关系、分布特征及演变规律，研究物理场分布对熔体结构与性质、熔体离子与惰性电极组元相互作用、杂质离子迁移与分布、Al溶解与损失的影响规律；以降低惰性电极腐蚀和电解槽稳定高效运行为目标，分析影响电解槽正常运行和惰性电极行为的操作环节和冶金学因素，获得动态条件下新型铝电解槽稳定运行的数学判据和调控手段，建立新型铝电解槽结构与工艺优化设计原则。(3）复杂多相铝熔体的杂质离子行为及净化机制：研究复杂多相铝熔体中夹科研中国[]收集于网络，仅供参考杂、气体和杂质元素的赋存形态及相互作用机制；研究工业原铝中Fe、Si等杂质元素的选择性去除原理及技术原型；研究大流量熔体中微米级夹杂的多级电磁净化原理及技术原型；研究熔体电磁或气体搅拌均匀化原理与技术原型。围绕科学问题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，展开以下三个方面研究：1）超强铝合金耐蚀多相微结构的形成与应力腐蚀行为(1)超强铝合金应力腐蚀行为：研究不同成分与热处理状态超强铝合金的应力腐蚀行为，研究超强合金腐蚀性能与微结构特征（特别是晶界结构）的对应关系，确定超强耐蚀微结构的基本特征。(2)基体晶粒微取向和微细化及其作用：研究超高合金化熔体超声凝固组织的均匀微细特征，研究形变热处理强化结晶相固溶入基体的作用；研究多元复合弥散相抑制基体再结晶和晶粒长大的作用，研究加工条件与弥散相对基体晶粒微取向和微细化的调控作用；研究基体晶粒微取向和微细化的抗应力腐蚀作用，确立超强耐