低成本、可扩展且具有导热性的聚合物纳米复合薄膜，用于双模式电池的热管理

《Journal of Materials Science & Technology》：Low-cost, scalable, thermally conductive polymer nanocomposite films for dual-mode battery thermal management

本研究通过粉末冶金与复合工艺制备高Nb-TiAl合金，引入SiB6相形成协同分布的TiB/Ti5Si3析出相和硅原子固溶体，优化了层状组织，在室温下塑性提升6倍，同时保持高温强度，解决了室温塑性与高温性能的矛盾。

　　TiAl合金作为一种具有轻质和优异高温性能的材料，近年来在航空航天领域得到了广泛关注。这些合金以其较低的密度和良好的抗氧化、抗蠕变能力，成为镍基高温合金的有力替代品。然而，TiAl合金在常温下的延展性仍然不足，这严重限制了其在更广泛工业应用中的潜力。为了解决这一问题，研究者们不断探索新的微结构设计和制备方法，以实现常温塑性和高温性能的平衡。

本研究采用粉末冶金和复合工艺相结合的方法，开发出一种具有精细层状结构的高铌TiAl合金。这种微结构的特点在于硅原子与析出相（如TiB和Ti?Si?）的协同分布。TiB相作为成核位点，有助于在层状枝晶界面形成等轴的γ晶粒，并细化枝晶结构。这种复合层状微结构不仅提升了合金在常温和高温下的强度和塑性，还在一定程度上解决了传统层状结构在高温下强度不足的问题。其中，0.2SiB?/TiAl基复合材料在常温下的塑性提高了六倍，其抗拉强度从608 MPa提升至745 MPa。而在900°C时，复合材料仍能保持出色的抗拉强度585 MPa，同时断裂应变提高至18.8%。这些性能的提升归因于细化的层状枝晶结构、塑性变形过程中的孪晶/孪晶交界以及堆垛层错的形成，这些因素共同增强了材料的加工硬化能力。此外，硅固溶强化和析出相强化，以及它们在抑制动态再结晶中的作用，显著提高了高温下的强度。

在工业应用中，TiAl合金通常通过热变形工艺，如锻造，来细化晶粒并优化微结构，随后通过热处理获得所需的层状结构。然而，这些工艺往往需要较高的成本，并且在某些情况下可能导致材料的微结构不均匀。近年来，增材制造等新兴技术因其快速冷却的特点，能够有效防止晶粒生长，从而形成细小的层状结构。然而，由于温度场的不均匀性，这些方法在构建方向上可能导致微结构梯度，从而影响材料的整体性能。相比之下，通过粉末冶金制备的TiAl合金具有均匀、细小的微结构，且无成分偏析，成本较低，还避免了后续热处理的需要，因此成为TiAl合金部件制造的有前景选择。然而，尽管细小的层状结构提升了常温塑性，但通常会面临高温承载能力不足的问题，这是金属材料中细晶结构的普遍现象。因此，解决常温塑性和高温强度之间的取舍，是推动TiAl合金工业应用的关键。

为了提高TiAl合金的高温性能，研究人员采用了合金化和复合等技术手段，通过优化微结构来增强其高温机械性能。合金化通常涉及添加难熔元素，如Mo、Nb和Re等，这些元素能够有效提升材料的高温强度。然而，这些元素往往作为β相稳定剂，可能会在微结构中引入硬而脆的B2相，从而对常温塑性产生不利影响。此外，这些元素的成本较高，且会增加TiAl合金的密度，这与开发低成本、轻质合金的目标相悖。相比之下，通过引入第二相颗粒进行复合，可以在提升高温承载能力的同时，细化材料的微结构。例如，陶瓷颗粒如Ti?AlC、TiB和Y?O?，因其轻质和低成本的特性，被认为是理想的复合材料。通过控制第二相的分布，如扩散、网状或核心-壳结构，可以设计出新的微结构，从而提升材料的综合性能。然而，这种复合方法也带来了新的问题，即TiAl合金本身塑性较低，引入陶瓷相是否会加剧其脆性？

针对这一问题，Guo等人对Y?O?复合TiAl合金的研究表明，纳米级的Y?O?不仅能够提升常温塑性，还能增强材料在800°C和900°C时的强度。然而，Sun和Yang等人则报告了高温强度的提升，但未观察到常温塑性的显著改善。因此，复合对常温塑性的影响仍存在争议，需要进一步研究以明确陶瓷相对TiAl合金微结构和力学性能的具体影响。

在本研究中，我们尝试在粉末冶金制备的精细均匀层状微结构基础上，引入陶瓷相以开发出兼具优异常温塑性和高温性能的TiAl基复合材料。通过低能球磨混合和热压烧结的方法，将SiB?引入TiAl合金中。利用SiB?在高温下的分解和扩散特性，以及其与TiAl基体的反应，设计出一种新的层状微结构，该结构结合了硅的扩散固溶和析出相的网状分布。这种微结构的TiAl基复合材料在常温下的塑性超过1.2%，同时在高温下（800°C时706 MPa，900°C时585 MPa）仍能保持较高的强度，从而解决了细晶材料高温承载能力不足的问题。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对复合后的微结构演化进行了研究，而高分辨透射电子显微镜（HRTEM）则提供了析出相界面特性和晶体结构的详细信息。此外，还对常温和高温下的变形机制以及增韧机制进行了探讨。

本研究提出了一种通过粉末冶金制备高性能SiB?/TiAl复合材料的新方法，实现了常温强度-延展性和高温机械性能的显著提升。对SiB?在烧结TiAl合金及其复合材料中的微结构演化影响进行了深入研究。同时，对常温和高温下的变形机制以及增强和增韧机制进行了探讨。研究结果表明，通过合理的微结构设计和复合工艺，可以有效克服常温塑性和高温强度之间的取舍，为TiAl合金的综合性能优化提供了一条可行的路径。

在材料制备过程中，采用低能球磨混合和热压烧结的方法，将不同含量的SiB?（x=0.1, 0.2, 0.3，原子%）与Ti-45Al-8Nb（原子%）预合金粉末混合。这些混合粉末的初始相组成对烧结后的微结构演化具有关键影响。通过SEM和TEM对原始预合金粉末和球磨后的Ti-45Al-8Nb-SiB?混合粉末的微结构特征进行了观察和分析。原始预合金粉末呈现出规则的球形结构，其表面可见由液态凝固形成的树枝状形态（如图1(a, b)所示）。而通过旋转电极雾化制备的TiAl粉末主要由这些结构组成。

研究结果表明，通过引入SiB?，可以在烧结过程中形成新的微结构，该结构结合了硅的扩散固溶和析出相的网状分布。这种结构的形成不仅有助于提升材料的强度，还能改善其塑性。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对析出相的界面特性和晶体结构进行了详细分析，揭示了这些相在微结构中的分布和相互作用。此外，对常温和高温下的变形机制进行了探讨，包括材料在不同温度下的塑性变形行为和增韧机制。研究结果表明，通过合理的微结构设计和复合工艺，可以有效提升TiAl合金的综合性能。

本研究通过粉末冶金和复合工艺的结合，成功开发出一种兼具优异常温塑性和高温性能的TiAl基复合材料。这种材料的微结构设计不仅优化了强度-延展性，还在高温下表现出良好的机械性能。通过系统的实验分析，揭示了SiB?在烧结过程中对微结构演化的影响，以及其在提升材料性能中的作用。这些发现为TiAl合金的工业应用提供了新的思路和方法，有助于推动其在航空航天和其他高端制造领域的应用。

总的来说，本研究在材料科学和工程领域具有重要意义。通过深入分析SiB?/TiAl复合材料的微结构演化和性能表现，为优化TiAl合金的综合性能提供了理论支持和技术路径。研究结果不仅展示了材料科学在微结构设计方面的创新，也为实际工程应用提供了可行的解决方案。未来的研究可以进一步探索不同陶瓷相的引入对TiAl合金性能的影响，以及如何通过优化工艺参数来实现更理想的微结构设计。这将有助于推动TiAl合金在更广泛领域的应用，提升其在工业和航空航天领域的竞争力。