性能前所未有！開發(fā)新型高強(qiáng)、高韌、超高剛度鋁基復(fù)合材料 (南京理工+山大+香港城大)

本文報(bào)告了一種液固反應(yīng)方法，該方法結(jié)合了擇優(yōu)顆粒取向來制造具有超高楊氏模量（105 GPa）、高拉伸強(qiáng)度（495 MPa）和一定延展性（6.2%）的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Al3BC/6061復(fù)合材料。Al3BC納米片晶的擇優(yōu)取向有助于超高的剛度，并且Al基體的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)有助于異質(zhì)形變誘導(dǎo)應(yīng)力的產(chǎn)生和額外的應(yīng)變硬化，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度和良好的延展性。這些結(jié)果為改善金屬基復(fù)合材料的機(jī)械性能帶來了巨大的潛力。

具有高強(qiáng)度，延展性和高剛性的輕質(zhì)鋁合金在汽車，航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越吸引人，以用來提高能源效率并減少排放。令人遺憾的是，在鋁及其合金中很難獲得這樣的特性曲線，因?yàn)檫@些特性通常是相互排斥的。特別是鋁的低楊氏模量（剛度）（70 GPa）尤其難以改善。通常，可以設(shè)想用高模量陶瓷顆粒（例如，碳化物，硼化物和氮化物）增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料（AMCs）同時(shí)提高其強(qiáng)度和剛度，但這不可避免地導(dǎo)致延展性降低。這種現(xiàn)象源于增強(qiáng)顆粒（硬質(zhì)）和鋁基體（軟質(zhì)）之間的塑性變形不兼容，以及在界面處產(chǎn)生必要的幾何位錯(cuò)（GNDs）和應(yīng)變梯度。例如，具有高體積分?jǐn)?shù)（約25 wt％）的Al3BC顆粒的6061 Al基復(fù)合材料顯示出約485 MPa的極限抗拉強(qiáng)度，但在顆粒/Al界面處出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中，并明顯降低延展性（小于2％）。另一方面，AMCs剛度的提高總是受到顆粒的隨機(jī)取向和由于嚴(yán)重團(tuán)聚引起的體積分?jǐn)?shù)約束的限制。

近年來，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料因其卓越的機(jī)械性能而受到廣泛關(guān)注，其微觀結(jié)構(gòu)范圍從納米到微米，這主要?dú)w因于幾何必須位錯(cuò)（GND）的數(shù)量聚集而引起的異質(zhì)變形（HDI）增強(qiáng)。例如，將軟微晶Ti薄片嵌入硬質(zhì)超細(xì)Ti薄片基質(zhì)中，可以顯著提高應(yīng)變硬化率并因此具有較高的延展性。受此概念的啟發(fā)，作者先前的工作首先證明，與傳統(tǒng)的均質(zhì)顆粒增強(qiáng)型AMCs相比，基體中包含雙峰晶粒結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Al-（TiC + TiB2）復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度和延展性組合。然而，由于顆粒的隨機(jī)分布，進(jìn)一步提高其剛度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在這里，南京理工大學(xué)聯(lián)合山東大學(xué)、香港城市大學(xué)報(bào)道了一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Al3BCp/6061復(fù)合材料，具有超高的剛度（可與鈦合金相比），極高的抗張強(qiáng)度和良好的延展性，其組合優(yōu)于幾乎所有已報(bào)道的AMCs。該新策略主要依靠異質(zhì)結(jié)構(gòu)化的Al基體與各向異性納米片的擇優(yōu)分布相結(jié)合，利用這種方式獲得一種優(yōu)越的性能。相關(guān)研究結(jié)果以題“Stiff, strong and ductile heterostructured aluminum composites reinforced with oriented nanoplatelets”發(fā)表在國際頂刊Scripta materialia上

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.08.017

測得EXT試樣的屈服強(qiáng)度(YS)和極限抗拉強(qiáng)度(UTS)分別為~328 MPa和~447 MPa，相應(yīng)的均勻延伸率(UE)為~4.5%。從不同應(yīng)變條件下復(fù)合材料的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖2a)可以看出，HR80和HR90試樣的YS、UTS和UE隨著應(yīng)變的增大而同時(shí)增大。還可以注意到，拉伸試驗(yàn)確定的彈性模量(E)從EXT試樣的72.9 GPa增加到HR90試樣的105 GPa。據(jù)我們所知，在鋁基復(fù)合材料中還未見過如此優(yōu)越的強(qiáng)度-韌性-剛度組合。

圖1. Al₃BC/6061復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)（RD-ND平面），顯示了Al₃BC的分布和取向：（a）EXT，a所示為Al₃BC的形態(tài)；（b）HR80；（c）HR90；（d）HR95；（e）Al₃BC的HRTEM圖像；（f）Al-Al₃BC界面的典型晶格條紋圖像。插圖是（f）中標(biāo)記的紅色和黃色矩形的傅里葉濾波HRTEM圖像，顯示了Al矩陣和Al₃BC的晶格條紋；（e）的插圖示出（f）的對(duì)應(yīng)的快速傅立葉變換（FFT），其指示Al₃BC和α-Al的晶體取向關(guān)系。

綜上所述，我們在自主設(shè)計(jì)的Al₃BC/6061基復(fù)合材料中成功地獲得了優(yōu)異的剛度-強(qiáng)度-延展性。各向異性的Al₃BC納米片的取向產(chǎn)生高的剛度，并且鋁基體的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)引起附加的HDI硬化并變形，從而導(dǎo)致高應(yīng)變硬化率。通常，結(jié)合傳統(tǒng)擠壓或軋制的液-固反應(yīng)方法可以容易地規(guī)模化用于工業(yè)生產(chǎn)。現(xiàn)在，我們專注于將此處演示的概念擴(kuò)展到其他輕質(zhì)金屬組合.

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