隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)受到了關(guān)注，特別是在航空航天、汽車和軍事工業(yè)等領(lǐng)域。鋁基復(fù)合材料因其低密度、高比強(qiáng)度和良好的耐磨性而成為研究的熱點(diǎn)。然而這些復(fù)合材料通常面臨著強(qiáng)度和塑性之間的權(quán)衡問(wèn)題，即在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)往往會(huì)犧牲其塑性，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，研究人員開始探索異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，如雙模態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)和調(diào)和結(jié)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)通過(guò)利用不同微觀組分之間的協(xié)同強(qiáng)化和增韌機(jī)制，來(lái)提升材料的強(qiáng)度和塑性。

其中，雙模態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)因其在納米晶/超細(xì)晶粒（UFG）金屬材料或復(fù)合材料中有效改善塑性而受到特別關(guān)注。通過(guò)操縱微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒尺寸、UFG/粗晶粒（CG）體積比和UFG與CG域的空間分布，對(duì)于設(shè)計(jì)具有良好強(qiáng)度-塑性平衡的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料至關(guān)重要。

針對(duì)上述問(wèn)題，由上海交通大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技原位TEM測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，他們通過(guò)精確控制雙模態(tài)域中的粗晶粒比例，間接地改變了其他異質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如粗晶粒帶寬和域空間分布。相關(guān)成果以“Optimizing heterostructure parameters towards enhanced toughening in micro/nano-reinforced bimodal-grained Al alloy composites”發(fā)表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108442

這篇論文的主要研究?jī)?nèi)容集中在通過(guò)優(yōu)化鋁基復(fù)合材料中的異質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，來(lái)增強(qiáng)其在微觀和納米尺度上的增韌和強(qiáng)化機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確控制粗晶粒（CG）與超細(xì)晶粒（UFG）的重量比例，探索了不同的CG含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CG與UFG的比例為20:80時(shí)，復(fù)合材料展現(xiàn)出了強(qiáng)度、塑性和韌性組合。

圖 通過(guò)電子背散射衍射獲得的典型EBSD圖像質(zhì)量和反極圖，揭示了不同粗晶粒（CG）含量的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

研究中，通過(guò)引入原位生成的氧化鎂納米顆粒（n-MgO）和外源性的碳納米管（CNTs），復(fù)合材料的內(nèi)在增韌機(jī)制得到了增強(qiáng)。這些納米增強(qiáng)相不僅提升了UFG域的位錯(cuò)存儲(chǔ)能力，還通過(guò)增加高密度的堆疊層錯(cuò)（SFs）來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)材料的內(nèi)在韌性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，分散良好的CG域?qū)α鸭y的鈍化效應(yīng)有顯著貢獻(xiàn)，而裂紋的分支、微裂紋的增殖和納米橋接的形成等外在增韌機(jī)制也在復(fù)合材料中起到了重要作用。

圖 多尺度的顯微技術(shù)揭示了復(fù)合材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征

為了深入理解裂紋行為，研究者們采用了多尺度分析，包括透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）下的原位拉伸測(cè)試，以及透射Kikuchi衍射（TKD）技術(shù)。這些測(cè)試揭示了裂紋在不同尺度下的行為，包括裂紋在硬域中的起始、在納米尺度上的偏轉(zhuǎn)和分支，以及在UFG/CG域界面處的裂紋鈍化。

圖 通過(guò)TEM和HRTEM圖像以及GPA分析展示了UFG內(nèi)MgO納米顆粒和CNT如何通過(guò)捕獲和交互位錯(cuò)以及形成堆疊層錯(cuò)來(lái)增強(qiáng)材料的內(nèi)在韌性

此外，研究還利用了應(yīng)變梯度模型來(lái)評(píng)估CG含量對(duì)復(fù)合材料微觀力學(xué)行為的影響。通過(guò)數(shù)學(xué)建模和模擬，研究者們能夠預(yù)測(cè)不同CG含量下材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，并分析了幾何必要位錯(cuò)（GNDs）的分布和演化。綜上這項(xiàng)研究通過(guò)系統(tǒng)地優(yōu)化復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在不犧牲塑性的同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和韌性，為設(shè)計(jì)和制造具有優(yōu)異綜合性能的鋁基復(fù)合材料提供了新的策略和理論基礎(chǔ)。

圖 通過(guò)原位拉伸試驗(yàn)研究了B4C微粒周圍UFG區(qū)域中裂紋的行為