近日，蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室輕金屬研究團(tuán)隊(duì)在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，以題“?Strong and ductile heterostructured aluminum matrix composites with multiscale and dual-structured reinforcing particulates”發(fā)表在國(guó)際復(fù)合材料頂刊《Composites Part B》（中國(guó)科學(xué)院1區(qū)TOP期刊，影響因子14.2），蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位，張學(xué)拯副教授為第一兼通訊作者，陳體軍教授和沈陽(yáng)金屬研究所肖伯律研究員為該論文合作作者。
鋁基復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性和良好的熱穩(wěn)定性，在航空航天、汽車(chē)與國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)復(fù)合材料在強(qiáng)化過(guò)程中常伴隨韌性顯著下降，形成“強(qiáng)度-塑性權(quán)衡”瓶頸，制約其發(fā)展與應(yīng)用。本研究創(chuàng)新性地提出一種“預(yù)混合→再混合→致密化→半固態(tài)加工”（PRCS）策略，成功制備出具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鋁基復(fù)合材料。該材料由硬區(qū)（含層片狀細(xì)晶，約420nm）與軟區(qū)（含粗晶，約3.12μm）構(gòu)成，并在硬區(qū)中引入多尺度（納米至微米）與雙結(jié)構(gòu)（實(shí)心與芯殼）增強(qiáng)顆粒。通過(guò)優(yōu)化異質(zhì)區(qū)間距與增強(qiáng)體分布，復(fù)合材料在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生顯著的異質(zhì)變形誘導(dǎo)應(yīng)力（HDI應(yīng)力，約255 MPa），成為主導(dǎo)強(qiáng)化機(jī)制。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性協(xié)同效應(yīng)：極限抗拉強(qiáng)度達(dá)603MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)10.9%，較基體合金分別提升59.9%和31.3%，綜合力學(xué)性能優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道的納米陶瓷、碳基或高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。研究進(jìn)一步揭示，納米（Al,Si)?Ti顆粒因界面應(yīng)變失配優(yōu)先發(fā)射位錯(cuò)，促進(jìn)應(yīng)變分配與背應(yīng)力硬化；微米級(jí)核殼結(jié)構(gòu)（Ti-(Al,Si)?Ti）顆粒則通過(guò)韌性Ti核心抑制微裂紋擴(kuò)展，軟區(qū)通過(guò)塑性變形進(jìn)一步耗散能量，共同實(shí)現(xiàn)材料的強(qiáng)韌化提升。該研究提出了一種創(chuàng)新的微觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，為高性能金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供借鑒。（圖/文：張學(xué)拯；審核：張飛龍）
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