高强度铜基纳米复合材料的缺口耐受性机制：可延展纤维与硬质颗粒的对比研究

本研究通过实时应变映射技术，对比分析了Cu-alumina和Cu-Ag-Zr复合材料在拉伸载荷下的缺口相关塑性变形机制。研究发现，Ag纤维增强的Cu-Ag-Zr纳米复合材料因可延展纤维的桥接效应表现出更高的缺口耐受性和延展性，而氧化铝颗粒增强的Cu则因脆性断裂受限。该成果为高可靠性结构材料设计提供了新思路。

　　

在结构材料领域，缺口引发的应力集中是导致材料失效的关键因素。传统高强材料往往以牺牲延展性为代价，而如何实现强度与缺口耐受性的协同提升成为研究难点。铜基纳米复合材料因其可调控的增强相（如硬质Al₂
O₃
颗粒或可延展Ag纤维）成为解决这一矛盾的理想模型体系。

研究人员通过设计对比实验，系统研究了两种典型增强相（Al₂
O₃
颗粒与Ag纤维）对Cu基复合材料缺口行为的影响。采用实时应变映射技术捕捉了拉伸过程中应变场的动态演变，发现两种材料均会形成从缺口尖端萌发的应变集中带（Strain-Concentration Bands, SCBs），但其演化路径截然不同：Al₂
O₃
增强材料中SCBs保持直线形态直至突发断裂，而Ag纤维增强材料中SCBs会演化为椭圆形桥接带，伴随显著的缺口钝化现象。

关键技术方法包括：1）通过熔体旋淬法制备Cu-alumina和Cu-Ag-Zr纳米复合材料；2）设计含对称缺口对的拉伸试样；3）采用数字图像相关（DIC）技术进行实时应变场监测；4）结合显微硬度测试分析局部强化效应。

【应变集中带的形成机制】
DIC分析揭示，所有样品在5%应变时即从缺口尖端萌发SCBs。Cu-alumina材料的SCBs呈现高应变梯度（>200%局部应变），而Cu-Ag-Zr材料的应变分布更均匀（<150%局部应变）。

【增强相类型决定失效模式】
硬质Al₂
O₃
颗粒导致SCBs内形成微裂纹网络，最终引发脆性断裂；而Ag纤维通过塑性变形吸收能量，促使SCBs发生颈缩但不立即断裂，延伸率提升达300%。

【缺口强化效应的空间分布】
显微硬度测试表明，Cu-Ag-Zr材料在SCBs区域出现显著强化（硬度提升35%），而Cu-alumina的强化主要局限于缺口尖端（硬度提升<15%）。

该研究首次从应变场演化的角度阐明增强相形貌对缺口耐受性的调控机制：可延展Ag纤维通过促进应变离域化和缺口钝化，比硬质颗粒更有效抑制裂纹扩展。这一发现为设计"强-韧协同"复合材料提供了理论依据，尤其适用于航空紧固件、核反应堆内衬等需承受应力集中的关键部件。论文成果发表于《Materials Characterization》，被审稿人评价为"对复合材料失效机理研究作出了范式性贡献"。