《Nature Communications》：?“鋼筋混凝土式鋁基復(fù)合材料”大幅度提高其高溫強(qiáng)度

傳統(tǒng)方法制備的輕質(zhì)工程材料在高溫環(huán)境下的性能已接近極限：例如，高強(qiáng)度鋁合金和鋁基復(fù)合材料（AMC）通常僅能在最高150°C環(huán)境下穩(wěn)定工作，而粉末冶金制備的鋁合金使用溫度上限也僅為300°C。大多數(shù)商用鋁合金及AMC在溫度超過(guò)300°C時(shí)，會(huì)因動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶而顯著軟化，特別是在200–450°C溫區(qū)內(nèi)。以7xxx和2xxx系列鋁合金為例，其屈服強(qiáng)度從室溫下的約600 MPa驟降至340°C時(shí)不足120 MPa。因此，開(kāi)發(fā)一種能在350°C以上仍保持200 MPa以上屈服強(qiáng)度、且比強(qiáng)度與鈦合金相當(dāng)?shù)匿X基復(fù)合材料，一直是該領(lǐng)域的重要目標(biāo)。

受鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)啟發(fā)，多倫多大學(xué)材料系極端力學(xué)和增材制造課題組創(chuàng)新提出并成功制備出一種新型“鋼筋混凝土式鋁基復(fù)合材料”（Reinforced Concrete Aluminum Matrix Composites, RC-AMCs）。通過(guò)融合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增材制造、微鑄造與熱處理等多項(xiàng)技術(shù)，RC-AMCs兼具顆粒增強(qiáng)型與層狀復(fù)合材料的雙重優(yōu)勢(shì)：既具備顆粒增強(qiáng)帶來(lái)的顯著強(qiáng)化效果，又能在高體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)相條件下維持低孔隙率。該類材料內(nèi)部含有高體積分?jǐn)?shù)的耐熱顆粒增強(qiáng)相，可有效抑制材料在高達(dá)500°C高溫下的強(qiáng)度退化。經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，RC-AMCs在400°C下實(shí)現(xiàn)了抗壓屈服強(qiáng)度最高達(dá)938 MPa，比強(qiáng)度最高達(dá)235 kN?m/kg，是目前所有鋁基合金與復(fù)合材料中已知最優(yōu)性能之一。多尺度計(jì)算分析進(jìn)一步揭示，RC-AMCs優(yōu)異的高溫抗軟化性能與Al?Ti中異常熱孿晶行為密切相關(guān)。

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https://www.nature.com/articles/s41467-025-65234-9

研究團(tuán)隊(duì)將土木工程中成熟的鋼筋混凝土理念引入鋁基復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，證明RC-AMCs在室溫至400°C的寬溫域內(nèi)均具備極高的比屈服強(qiáng)度，成功突破了輕質(zhì)材料在強(qiáng)度與密度之間的傳統(tǒng)權(quán)衡限制。相較于已報(bào)道的互穿相復(fù)合材料，RC-AMCs憑借其高體積分?jǐn)?shù)耐熱增強(qiáng)相與可控微觀結(jié)構(gòu)單元，展現(xiàn)出顯著強(qiáng)化效果與優(yōu)異的高溫性能穩(wěn)定性。該設(shè)計(jì)策略還表明，通過(guò)調(diào)控支架的形狀、結(jié)構(gòu)、體積分?jǐn)?shù)及材料種類，可靈活調(diào)節(jié)RC-AMCs的力學(xué)響應(yīng)。團(tuán)隊(duì)首次提出針對(duì)此類材料結(jié)構(gòu)的完整力學(xué)模型—單胞投影模型和層合模型，實(shí)現(xiàn)“如建造房屋般”在特定位置與方向進(jìn)行定量增強(qiáng)。融合增材制造與微鑄造的制備工藝，使得構(gòu)建傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)與精細(xì)特征成為可能，為面向特定工程需求的定制化結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)提供了全新設(shè)計(jì)路徑，在航空航天、汽車工業(yè)及高端裝備等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

圖1：受鋼筋混凝土啟發(fā)的耐高溫鋁基復(fù)合材料（RC-AMC）微觀結(jié)構(gòu)圖。a.多尺度強(qiáng)化RC-AMC微觀結(jié)構(gòu)示意圖。b. RC-AMC制備過(guò)程示意圖。c.亞毫米尺度下的微觀結(jié)構(gòu)和成分。d. 嵌入鋁基體中的微米級(jí) Al?Ti 顆粒。e.嵌入鋁基體中的納米級(jí) AlSi?Ti?和球形硅化物。

圖2：RC-AMCs在不同溫度下的壓縮性能。a.三個(gè)方向加載下的工程壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線。b. RC-AMC屈服強(qiáng)度隨增強(qiáng)相含量的變化，并與其他鑄造AMC和Al-Si合金進(jìn)行比較。c. RC-AMC在高溫下的典型工程應(yīng)力–應(yīng)變曲線。d. 不同測(cè)試溫度下RC-AMC與其他AMC的屈服強(qiáng)度。e. AlSi7Mg 在高溫下的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線。f. Ti6Al4V 在高溫下的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線。g. 基于混合定律（ROM）計(jì)算的RC-AMC屈服強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)值的比較。

圖3：RC-AMCs室溫變形顯微組織。a-c. CT掃描顯示沿三個(gè)方向壓縮后的典型斷裂形貌。典型 SEM 變形特征圖：d. Ti骨架節(jié)點(diǎn)處的 45° 剪切；e. Al?Ti顆粒中的微裂紋以及AlSi7Mg–Al?Ti界面處的脫粘；f. Si納米析出相在 AlSi7Mg 中對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。TEM圖像顯示：g. Ti6Al4V中的平面滑移；h-i. Al?Ti 相中納米級(jí)孿晶。

圖4：RC-AMCs高溫變形特征與顯微組織。a-c. 不同溫度下Ti6Al4V骨架附近 Al?Ti 顆粒內(nèi)部或顆粒間的裂紋，測(cè)試溫度分別為 (a) 200°C、(b) 300°C 和 (c) 400°C。樣品在400°C壓縮后的典型微觀結(jié)構(gòu)：d. AlSi7Mg 中的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)；e. Ti6Al4V中三重滑移系開(kāi)動(dòng)；f. Al?Ti 顆粒中大量的機(jī)械孿晶。分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果：g. 位錯(cuò)密度；h. 孿晶分?jǐn)?shù)。

圖5：RC-AMC變形機(jī)制多尺度模擬。a. Ti6Al4V骨架增強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀有限元法模擬。b. AlSi7Mg–Al?Ti 復(fù)合材料的微觀有限元法模擬，顯示 Al?Ti 顆粒中等效塑性應(yīng)變。c. 三層多晶模型（Ti–Al?Ti–Al）在 9% 壓縮應(yīng)變下的分子動(dòng)力學(xué)模擬，展示各層內(nèi)部的位錯(cuò)滑移和孿生行為。

圖6：Al?Ti異常熱孿晶行為及其孿晶形成機(jī)制。a,b. 準(zhǔn)原位觀察顯示 400°C 下機(jī)械孿晶的形成：a. SEM 圖像顯示機(jī)械壓入誘發(fā)孿生；b. EBSD 分析確認(rèn)Al?Ti中存在孿晶。c,d. 室溫 (c) 和 400°C (d)機(jī)械壓入后有孿晶和無(wú)孿晶晶粒的晶體取向分布。e,f. 分子動(dòng)力學(xué)模擬室溫壓縮下由 Shockley不全位錯(cuò)（SPDs）引起本征堆垛層錯(cuò)，正面 (e) 和頂部 (f) 視角觀察。g. 室溫壓縮過(guò)程中， SPDs在連續(xù)密排面上的逐層運(yùn)動(dòng)形成變形孿晶。h. D0?? 晶體結(jié)構(gòu)示意圖，其沿密排面間距大于 L1? 結(jié)構(gòu)（左）。這一結(jié)構(gòu)特征有助于極誘導(dǎo)孿晶機(jī)制（中），通過(guò) SPDs 運(yùn)動(dòng)降低形成孿晶部分所需的臨界剪切應(yīng)力（右）。

圖7：RC-AMC的預(yù)測(cè)、優(yōu)化及發(fā)展，規(guī)避高強(qiáng)度–輕量化的權(quán)衡困境。a. 單元胞投影（UCP）模型預(yù)測(cè)的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系。b. 單層復(fù)合（ULC）模型預(yù)測(cè)的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度。c. RC-AMC 中 Ti6Al4V 骨架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化或調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度與延性組合。d. RC-AMC 變體示例。e. 不同 RC-AMC 衍生結(jié)構(gòu)在 400°C 下的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線。f. RC-AMC 在高溫下的強(qiáng)度–密度關(guān)系，并與其他工程合金進(jìn)行比較。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。