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基于二元不互溶金属体系制备的材料,尤其是层状复合材料,由于其优异的综合性能,在航空航天、核聚变工程和电子封装等领域有着广阔的应用前景,受到了许多研究者的关注。由于反应热为正、组元的物理和化学性质差异极大,二元不互溶金属体系合金化困难,因此相应的层状复合材料制备难度非常大。传统的做法是采用第三组元作为中间层来制备出材料。但这实际上改变了材料体系的成分,进而导致材料性能的改变。针对于此,前期研究中课题组提出了两种直接合金化方法:高温结构诱发合金化（High-temperature Structure Induced Alloying,HTSIA）和辐照损伤诱发合金化（Irradiation Damage Alloying,IDA）,这两种方法均能够实现二元不互溶金属之间的直接合金化并制备出相应的金属层状复合材料。但前期研究主要集中在合金化方法和工艺、热力学机制等方面的研究,对原子微观扩散机制探索较少,因此本文对这两种直接合金化方法过程中的微观演化过程及原子扩散机制进行了系统地研究,研究是基于钼（Mo）-银（Ag）二元不互溶金属来开展的。另外,前期工作所建立的热力学模型还存在着不完善的地方,本研究对热力学模型进行了改进,并用于上述两种直接合金化方法的热力学机制研究。最后,由于长寿命空间飞行器的直接需求,本文对Pt作为第三组元实现Mo-Ag合金化并制备的Mo-Ag层状复合材料的界面强度和合金化机制也进行了详细分析。本文取得的具体成果如下:（1）采用分子动力学模拟的方法,对Mo-Ag二元不互溶体系HTSIA中的微观演化过程进行了研究。结果表明,合金化温度对HTSIA过程具有重要的影响作用,Mo和Ag原子在0.65～0.94 Tcm Ag(Tcm Ag为Ag的熔点)的临界温度范围内能够发生相互扩散形成扩散层,实现了合金化。该结果与实验结果基本相符,实验结果所确定的Mo-Ag体系HTSIA温度范围约为0.90～0.97 Tcm Ag。扩散层主要由Mo-Ag非晶相组成,该Mo-Ag非晶相不同于常见的非晶合金相,为一种新型的“楔状”原子排列结构,该结果与高分辨透射电镜（HRTEM）界面表征结果一致。由于Mo-Ag非晶相的产生,形成了晶态Mo/非晶态Mo-Ag/晶态Ag的连续扩散界面结构。基于该界面结构可制备出具有高界面强度的Mo-Ag层状金属复合材料。（2）根据分子动力学模拟结果,理清了Mo-Ag体系在HTSIA过程中的原子扩散机制:Ag也存在着同素异构现象,在高温时发生面心立方（FCC）向密排六方（HCP）的相变。Ag中HCP相的形核是受层错机制主导的,并在Shockley位错的扫动带动下进行长大的。该相变导致Mo-Ag界面处的Ag原子结构松散混乱,这种结构可以为Mo原子的扩散提供了大量的通道。另外,FCC→HCP的相变在界面处的Ag中产生了大量能够稳定存在的肖克莱（Shockley）位错和压杆（Stair-rod）位错,这些位错对Mo原子具有较强的吸附作用。上述两个因素共同作用导致Mo原子向Ag中扩散,克服了Mo-Ag体系的不互溶性。为了验证模拟分析结果的正确性,本文从实验上研究了Ag的高温结构和FCC→HCP的相变机制。具体做法为:将Ag加热到不同温度后淬入液氮中快速冷却处理,并采用透射电镜（TEM）对Ag的高温结构进行表征,液氮快速冷却的目的在于将Ag中的高温HCP相保留下来。对TEM电子衍射谱标定和HRTEM像的分析结果表明,Ag在400～500?C确实存在着同素异构的HCP相。实验结果从侧面验证了模拟分析结果的正确性。（3）采用分子动力学模拟的方法,对Mo-Ag体系在IDA过程的微观演化过程进行了模拟分析。结果表明,Mo在辐照级联碰撞过程会产生大量的辐照缺陷,主要包括弗兰克尔缺陷对、空位和间隙团簇及位错环等。在后续的退火过程中,辐照缺陷中的未能发生恢复的空位将迁移扩散至Mo-Ag界面处,诱发界面另一侧的Ag原子向Mo中进行扩散,迁移的空位最后聚集成为微空洞,即柯肯达尔空洞;同时,由于缺陷的存在界面处晶格畸变严重,原子振动剧烈,也促进了原子的相互扩散。这些扩散使得Mo-Ag之间发生合金化。课题组前期在采用IDA方法制备Mo-Ag层状复合材料时观察到了明显的柯肯达尔效应,在Ag金属层中存在着大量的柯肯达尔空洞,这证明了模拟分析结果的准确性。（4）对已有的基于Miedema理论和Alonso方法建立的HTSIA和IDA过热力学理论模型进行了改进,并推导了应变能的计算公式。改进后的模型被用以揭示这两种合金化方法的热力学机制。研究结果表明,HTSIA和IDA方法在热力学上是可行的。其中,对于HTSIA,材料的加工过程产生的储藏能、接触面的表面能和由外界压力造成的应变能共同抬高体系的初始能态,为不互溶金属的合金化提供热力学驱动力;而对于IDA,其合金化过程中的驱动力主要来源于基体材料中由辐照损伤造成的储藏能和镀层颗粒的表面能,储藏能对合金化后的合金相组成起到决定性作用。（5）基于第三组元实现二元不互溶金属合金化的思想,以Pt来实现Mo-Ag的合金化,制备了Mo-Pt-Ag层状复合材料,并对界面的显微结构进行了表征和分析,计算了取向关系转换矩阵。结果表明,所制备的Mo-Pt-Ag层状复合材料具有较好的抗热冲击性能,能够满足近地轨道环境长寿命的使用要求。合金化的机制在于第三组元Pt不仅仅是以中间层的形式存在,而很可能实现了Mo-Ag不互溶金属体系的合金化,生成了具有大晶格常数FCC结构的三元合金相,这也是所制备的Mo-Pt-Ag层状复合材料具有较高界面强度的原因。