铝铜复合材料中金属间化合物的尺度效应及其对力学行为的调控机制

金属基复合材料(MMCs)中金属间化合物(IMCs)的尺寸效应长期制约其性能优化。华中科技大学团队通过调控Al-Cu复合材料中IMCs的纳米/微米级尺寸分布，揭示了纳米IMCs通过位错钉扎(Orowan机制)和层错网络强化超越Hall-Petch关系的极限，而微米IMCs则因位错环形成受限成为应力集中源。该研究为MMCs的界面设计提供了理论依据，发表于《Materials Today Communications》。

　　

在航空航天和汽车制造领域，金属基复合材料(MMCs)因其优异的强度-重量比备受青睐。然而，材料中自发形成的金属间化合物(IMCs)犹如双刃剑——既能强化材料又可能引发脆性断裂。传统研究多聚焦于IMCs的化学组成，却忽视了其尺寸对力学行为的决定性影响。特别是在Al-Cu这类典型体系中，CuAl₂等IMCs的纳米与微米级差异如何影响位错运动机制，成为制约材料性能优化的关键科学问题。

华中科技大学的研究团队创新性地采用成分梯度设计，通过调控Cu含量(1-7 wt.%)制备出具有连续尺寸分布的IMCs。运用热压烧结技术将Al/Cu复合粉末(Aladdin公司，纯度99.9%)固结成型，结合TEM和EBSD等先进表征手段，首次系统揭示了IMCs尺度与材料强化/失效机制的定量关系。

微结构演化规律
XRD分析证实所有样品中仅存在CuAl₂相，排除了固溶强化的干扰。当Cu含量增至7 wt.%时，IMCs尺寸从纳米级(50-100 nm)跨越至微米级(>1 μm)，这种尺寸梯度为研究尺度效应提供了理想模型。

纳米IMCs的强化机制
高分辨TEM显示，纳米IMCs与Al基体间的热膨胀系数差异产生界面应变梯度。这些梯度诱导形成的层错网络(SFs)将位错平均自由程缩短至15 nm以下，使材料强度突破经典Hall-Petch关系的预测极限。同时，<10 nm的IMCs通过Orowan机制钉扎位错，贡献了约40%的强度增量。

微米IMCs的失效起源
EBSD分析表明，微米IMCs在应力松弛过程中产生的SFs会转化为可动位错源。相界处位错加速运动导致局部应力集中系数达3.2，引发过早断裂。这解释了含7 wt.%Cu样品延伸率骤降58%的现象。

该研究建立了IMCs尺寸-界面缺陷-力学性能的定量关系模型，指出20-200 nm为最优尺寸区间。不仅解决了"IMCs尺寸阈值"的学术争议，更指导了MMCs的组分设计——通过精确控制Cu含量在4 wt.%以下，可实现强度-塑性的协同优化。研究团队进一步提出"梯度尺寸IMCs"的创新构想，为开发新一代高强韧复合材料提供了理论基石。