中国粉体网讯 强度与韧性，这两者对于金属基复合材料来说，就像是一对难以调和的矛盾。长期以来，这个问题一直困扰着科学家们，限制了金属基复合材料的发展。在传统的金属基复合材料中，硬脆的陶瓷增强体的加入确实提高了材料的模量和强度，但这也带来了一个严重的问题：应变局域化和应力集中。这就像是在复合材料中埋下了一个颗颗定时炸弹，随时可能引发材料的破裂或损坏。解决这一难题的方法之一，就是采用同时兼具优异本征力学性能和可变形能力的新型增强体材料。
近日，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室张荻院士、郭强教授团队联合新加坡南洋理工大学团队，在高强韧金属基复合材料的研究方向取得重要突破。研究团队首次在金属基复合材料中实现了形状记忆陶瓷的可逆相变，使得复合材料的强度和能量耗散密度比纯铝基体提高了一倍以上，实现了强韧性同步提高的关联重构。
图1 可逆相变陶瓷诱导高能耗金属基复合材料（CZ/Al）原理图。（a）高分辨率X射线显微成像（XRM）的三维结构。（b）复合材料的相组成，其中T和M分别代表四方（奥氏体）和单斜（马氏体）结构。（c）复合界面的高分辨透射电子显微镜（TEM）图像。（d）复合材料局部区域的微柱压缩前后形貌照片，以及TEM样品切片在压缩后（25℃）、200℃和400℃退火后的旋进电子衍射（PED）明场图像和对应的相组成图。压缩方向（从上到下）由箭头指示。（e）复合材料与纯铝压缩过程的真应力-真应变曲线。
形状记忆陶瓷就是这类典型的可变形增强体。它不仅具备良好的本征强度和模量，而且在力场或温度场的作用下还能发生四方相<->单斜相的可逆马氏体相变，并产生约10%的晶格应变。研究团队选用形状记忆陶瓷-纯铝复合材料[铈掺杂氧化锆/铝]作为模型，通过制备过程中的应力场-温度场耦合，获得了含有完全奥氏体化CZ增强体的复合材料。而后而通过单轴压缩实验，在复合材料微柱中实现了超过60%的增强体发生马氏体相变。
在后续的400℃退火过程中，马氏体（单斜相）又发生反马氏体相变，恢复到四方相结构。结合旋进电子衍射技术和高分辨X射线显微成像结果分析，研究人员发现，复合材料中形状记忆陶瓷颗粒发生可逆相变来源于铝基体对颗粒的有效束缚、良好的增强体/基体界面载荷传递效率、陶瓷颗粒与金属基体的协同变形能力，以及陶瓷颗粒在金属基体内的三维网状/力链构型对载荷传递的促进作用。
该进展发现了在金属基复合材料中，形状记忆陶瓷具备可逆相变能力，验证了采用相变陶瓷对于解决金属基复合材料“强-韧性倒置”这一瓶颈难题的可行性。从结构承载的角度，相比于传统不可变形的增强体，形状记忆陶瓷相变引起的晶格应变能够协调增强体-基体的变形，将外力做功迅速耗散到整个材料，避免应力集中。同时，通过陶瓷的相变，进一步耗散弹性应变能，在强化复合材料的同时实现相变增韧。在轻质金属基复合材料中实现陶瓷的可逆相变，将进一步拓宽这类材料在智能传感、驱动等领域的应用前景。
来源：上海交通大学材料学院
（中国粉体网编辑整理/空青）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
