中國(guó)粉體網(wǎng)訊  強(qiáng)度與韌性，這兩者對(duì)于金屬基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，就像是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾。長(zhǎng)期以來(lái)，這個(gè)問(wèn)題一直困擾著科學(xué)家們，限制了金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。在傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料中，硬脆的陶瓷增強(qiáng)體的加入確實(shí)提高了材料的模量和強(qiáng)度，但這也帶來(lái)了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：應(yīng)變局域化和應(yīng)力集中。這就像是在復(fù)合材料中埋下了一個(gè)顆顆定時(shí)炸彈，隨時(shí)可能引發(fā)材料的破裂或損壞。解決這一難題的方法之一，就是采用同時(shí)兼具優(yōu)異本征力學(xué)性能和可變形能力的新型增強(qiáng)體材料。

近日，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張荻院士、郭強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)，在高強(qiáng)韌金屬基復(fù)合材料的研究方向取得重要突破。研究團(tuán)隊(duì)首次在金屬基復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)了形狀記憶陶瓷的可逆相變，使得復(fù)合材料的強(qiáng)度和能量耗散密度比純鋁基體提高了一倍以上，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)韌性同步提高的關(guān)聯(lián)重構(gòu)。

圖1 可逆相變陶瓷誘導(dǎo)高能耗金屬基復(fù)合材料（CZ/Al）原理圖。（a）高分辨率X射線顯微成像（XRM）的三維結(jié)構(gòu)。（b）復(fù)合材料的相組成，其中T和M分別代表四方（奧氏體）和單斜（馬氏體）結(jié)構(gòu)。（c）復(fù)合界面的高分辨透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（d）復(fù)合材料局部區(qū)域的微柱壓縮前后形貌照片，以及TEM樣品切片在壓縮后（25℃）、200℃和400℃退火后的旋進(jìn)電子衍射（PED）明場(chǎng)圖像和對(duì)應(yīng)的相組成圖。壓縮方向（從上到下）由箭頭指示。（e）復(fù)合材料與純鋁壓縮過(guò)程的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

形狀記憶陶瓷就是這類(lèi)典型的可變形增強(qiáng)體。它不僅具備良好的本征強(qiáng)度和模量，而且在力場(chǎng)或溫度場(chǎng)的作用下還能發(fā)生四方相<->單斜相的可逆馬氏體相變，并產(chǎn)生約10%的晶格應(yīng)變。研究團(tuán)隊(duì)選用形狀記憶陶瓷-純鋁復(fù)合材料[鈰摻雜氧化鋯/鋁]作為模型，通過(guò)制備過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合，獲得了含有完全奧氏體化CZ增強(qiáng)體的復(fù)合材料。而后而通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，在復(fù)合材料微柱中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)60%的增強(qiáng)體發(fā)生馬氏體相變。

在后續(xù)的400℃退火過(guò)程中，馬氏體（單斜相）又發(fā)生反馬氏體相變，恢復(fù)到四方相結(jié)構(gòu)。結(jié)合旋進(jìn)電子衍射技術(shù)和高分辨X射線顯微成像結(jié)果分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料中形狀記憶陶瓷顆粒發(fā)生可逆相變來(lái)源于鋁基體對(duì)顆粒的有效束縛、良好的增強(qiáng)體/基體界面載荷傳遞效率、陶瓷顆粒與金屬基體的協(xié)同變形能力，以及陶瓷顆粒在金屬基體內(nèi)的三維網(wǎng)狀/力鏈構(gòu)型對(duì)載荷傳遞的促進(jìn)作用。

該進(jìn)展發(fā)現(xiàn)了在金屬基復(fù)合材料中，形狀記憶陶瓷具備可逆相變能力，驗(yàn)證了采用相變陶瓷對(duì)于解決金屬基復(fù)合材料“強(qiáng)-韌性倒置”這一瓶頸難題的可行性。從結(jié)構(gòu)承載的角度，相比于傳統(tǒng)不可變形的增強(qiáng)體，形狀記憶陶瓷相變引起的晶格應(yīng)變能夠協(xié)調(diào)增強(qiáng)體-基體的變形，將外力做功迅速耗散到整個(gè)材料，避免應(yīng)力集中。同時(shí)，通過(guò)陶瓷的相變，進(jìn)一步耗散彈性應(yīng)變能，在強(qiáng)化復(fù)合材料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)相變?cè)鲰g。在輕質(zhì)金屬基復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)陶瓷的可逆相變，將進(jìn)一步拓寬這類(lèi)材料在智能傳感、驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

來(lái)源：上海交通大學(xué)材料學(xué)院

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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