基于钢筋混凝土启发的多尺度结构设计实现铝基复合材料高温力学性能突破

《Nature Communications》：Achieving improved mechanical performance in aluminum matrix composites with rebar-reinforced concrete-inspired structures

本刊推荐：为解决铝基复合材料(AMCs)在高温下强度急剧下降的瓶颈问题，研究人员开展了一项受钢筋混凝土(RC)结构启发的多尺度增强铝基复合材料(RC-AMCs)研究。通过结合增材制造与微铸造技术，成功制备出具有钛合金支架、微米级Al3Ti颗粒和纳米析出相的多级结构材料。该材料在400℃时表现出938 MPa的屈服强度和235 kN·m/kg的比强度，其高温抗软化性能与Al3Ti中异常热孪生现象密切相关，为高温轻量化材料设计提供了新范式。

　　

在追求轻量化的现代工程领域，铝基复合材料(AMCs)因其优异的比强度而备受关注。然而，当温度超过300℃时，传统AMCs会出现显著的强度衰减，这严重限制了其在航空航天、汽车发动机等高温环境中的应用。动态回复和再结晶等软化机制导致材料性能急剧下降，例如某些高性能铝合金在340℃时屈服强度从室温的600 MPa骤降至120 MPa以下。这种高温性能瓶颈使得开发新型耐高温轻量化材料成为当务之急。

受到普遍应用的钢筋混凝土(RC)结构启发，多伦多大学的研究团队创新性地将这种宏观结构设计理念引入材料微观结构设计，开发出具有多尺度增强相的铝基复合材料。该研究通过巧妙的材料架构设计，成功解决了高温环境下材料强度与轻量化之间的固有矛盾。

研究团队采用集成化制造策略，主要技术方法包括：通过选择性激光熔化(SLM)制备Ti6Al4V合金网格骨架，利用微铸造技术将AlSi7Mg熔体渗入预制骨架，通过精确控制热处理工艺诱导原位形成Al₃Ti增强相。结构表征采用X射线计算机断层扫描(CT)、扫描电镜(SEM)配备能谱仪(EDS)和电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)等多尺度分析手段。力学性能评估通过高温压缩实验结合数字图像相关(DIC)技术，同时采用有限元法(FEM)和分子动力学(MD)多尺度模拟揭示变形机制。

微观结构与力学性能

RC-AMCs呈现出清晰的多级结构特征：亚毫米尺度的Ti6Al4V支架作为主要承载体，微米级Al₃Ti颗粒（尺寸8.4±2.7μm）离散分布在支架连接区域，纳米级析出相（包括盘状AlSi₃Ti₆和球形硅化物）均匀分布于铝基体和Al₃Ti颗粒中。这种精心设计的结构使材料孔隙率控制在0.5 vol%以下，界面缺陷得到有效抑制。

力学测试结果显示，RC-AMCs在室温下沿三个方向的压缩屈服强度分别达到710 MPa（基础矢量方向）、592 MPa（面对角线方向）和537 MPa（体对角线方向），显著高于未增强基体的103 MPa。随着温度升高至500℃，传统AlSi7Mg合金强度降至5 MPa，而RC-AMCs仍保持335 MPa的屈服强度，在400℃时比强度高达235 kN·m/kg，超越了大多数已报道的铝基材料。

跨尺度协调强化机制

变形分析揭示了多尺度协同强化机制。不同加载方向下材料呈现三种典型失效模式：沿方向A的分裂失效、方向B的剪切失效以及方向C的混合模式。裂纹首先在Ti6Al4V支架节点处萌生，随后通过铝基体扩展。微观尺度上观察到Al₃Ti颗粒开裂、界面脱粘等多种损伤形式。

铝基体中波状位错滑移是主要塑性变形方式，提供应变硬化源的同时改善了与Al₃Ti颗粒的变形协调性。位错绕过纳米析出相产生析出强化效应，而Ti6Al4V支架中多滑移系的平面位错滑移表明其承受复杂应力状态。尤为重要的是，在脆性Al₃Ti颗粒中观察到变形孪晶，这为材料提供了额外的塑性变形途径。

变形与异常热孪生行为

随着变形温度从25℃升至400℃，Al₃Ti颗粒中孪生现象更加显著，这与大多数金属中孪生易在低温发生的常规认知相反。分子动力学模拟表明，温度升高促使Al₃Ti中1/6[2ī1]位错运动更易导致孪生形成。定量统计显示，在10%应变下，孪晶分数从25℃的3.8%增加至400℃的5.0%，而位错密度相应从0.8×10¹⁶ m^-2降至0.7×10¹⁶ m^-2。

异常热孪生现象与Al₃Ti的DO₂₂晶体结构密切相关。该结构具有较大的c/a比（2.234），增大了密排面间距，降低了孪生所需的临界分切应力。通过极机制，Shockley不全位错(SPDs)在连续{111}面上的层状运动导致孪晶形核，高温下孪晶形核和生长均得到增强，有效抑制了强度退化。

规避高强度-轻量化权衡

通过单元胞投影(UCP)模型和单元层复合(ULC)模型成功预测了RC-AMCs的应力-应变关系和强度。材料密度介于2.8-4.0 g/cm³之间，高于铝合金但低于钛合金和钢。在300-500℃温度范围内，该材料表现出已知铝基材料中最高的比屈服强度。

研究表明，RC-AMCs在高温下表现出优异的压缩性能，室温拉伸延性虽有限但保持高屈服强度（室温629 MPa，400℃时371 MPa）。Al₃Ti的断裂韧性随温度升高略有增加，韧性Ti6Al4V和界面进一步支持了复合材料在服役条件下的完整性。

这项发表于《Nature Communications》的研究通过将钢筋混凝土结构设计理念引入铝基复合材料，成功解决了轻量化材料在高温环境下的强度衰减难题。研究证明，通过多尺度结构设计结合异常温度依赖性变形行为，能够实现材料性能的重大突破。这种"建房子"式的材料设计方法为工程合金和复合材料的结构-材料一体化制造开辟了新途径，有望推动高温轻量化材料在航空航天、交通运输等领域的应用发展。