通过受中国剪纸艺术启发的累积挤压技术，实现铝基复合材料中延展性与韧性协同性的异质结构设计

《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：Heterogeneous architecturing for enhanced ductility-toughness synergy in aluminum matrix composites via Chinese lamian-inspired accumulative extrusion

　　

Jiani Lv|Han Zhu|Zhiyuan Yang|Jiapeng Hou|Zhenyu Liu|Zengqian Liu|Bolv Xiao|Zongyi Ma|Zhefeng Zhang

中国科学院金属研究所沈阳国家材料科学实验室，中国沈阳 110016

摘要

铝基复合材料（AMCs）因其高比强度和高模量而具有广泛的重要性；然而，传统的均匀分散增强体结构通常在增强强度的同时会牺牲延展性和韧性。受天然蜘蛛丝的启发，本研究设计了具有软硬交替异质结构的AMCs，并进一步借鉴了中国拉面（lamian）的加工理念，采用循环挤压与热压固化的累积挤压策略。这种方法能够有效细化和控制异质结构，从根本上改变了损伤和断裂机制，使裂纹从硬质区域穿透转变为在软质基体周围发生偏转并拔出。结果，材料的拉伸延展性和机械能吸收能力显著提高，从而实现了更好的强度-延展性协同效应。由于裂纹起始延迟和传播受阻，冲击韧性也得到了显著提升。本研究展示了一种可行的加工途径和结构调控策略，可以在保持强度增强的同时提高铝基复合材料及其他金属基复合材料的延展性和韧性。

引言

铝基复合材料（AMCs）具有低密度以及高比强度和高比模量，在航空航天、国防和交通等多个领域得到了广泛应用。在各种增强体中，碳纳米管（CNTs）由于其独特的空心管状结构和sp2杂化碳网络而表现出极高的理论强度和模量，即使在低添加量下也能显著增强AMCs的性能[1]、[2]、[3]。传统的AMCs（包括CNT增强复合材料）通常追求增强体在铝基体中的均匀分散[4]、[5]。在这种条件下，第二相颗粒通过晶界钉扎阻碍位错运动并细化晶粒，从而提高强度。然而，这些增强机制往往伴随着延展性和韧性的显著下降[6]、[7]。实际上，虽然可以通过增加增强体含量来提高强度，但脆化更频繁地成为限制AMCs结构应用的主要因素。因此，探索提高AMCs延展性和韧性的有效方法具有重要意义。对于给定的成分体系，复合材料的内部结构对其整体性能起着决定性作用。因此，结构设计和优化是提高AMCs延展性和韧性的关键途径。在这方面，AMCs的制造技术不断发展——从粉末冶金和火花等离子烧结到摩擦搅拌加工和严重塑性变形——提供了调节增强体分布、定制微观结构特征和工程化界面的更多可能性[8]、[9]、[10]。

与工程复合材料中常用的均匀结构不同，天然生物材料通过长期进化形成了独特的异质结构[11]、[12]、[13]，其中局部微观结构和机械响应强烈依赖于空间位置。蜘蛛丝是这种异质性的典型例子。具体来说，丝纤维由高强度、高模量的β-片层纳米晶域组成，这些纳米晶域嵌入在高度无序且卷曲的蛋白质基体中。在变形过程中，硬质纳米晶域主要承受外加载荷，而周围的软质基体通过微观机制（如链解缠和分段滑动）来适应大部分变形[14]。这种协同的承载和变形行为使蜘蛛丝在强度、延展性和韧性之间实现了有效的平衡。

受这种天然异质结构的启发，先前的研究试图通过调整增强体的空间分布来引入AMCs的异质性，例如通过层压结构或双模态晶粒配置[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。这些异质结构主要是通过传统的粉末冶金工艺制造的，包括球磨、粉末压实和随后的挤压或轧制，并已被证明可以改善AMCs的强度-延展性平衡[20]、[21]。然而，在大多数现有研究中，异质性是通过单次变形过程产生的，导致结构相对粗糙，特征长度尺度通常在微米级别[22]、[23]。这一限制限制了复合结构的连续和灵活调控。因此，尽管性能得到了提升，但现有异质复合材料的延展性和韧性仍受限于更延展性组分的固有变形能力。这表明异质结构的全部潜力尚未得到充分发挥，需要通过有目的的结构调控来进一步探索。因此，进一步提高延展性和韧性需要系统地调节结构长度尺度和特征特性，而不仅仅是依赖传统的单尺度异质配置。

在此背景下，本研究在CNT增强AMCs中构建了软硬交替的异质结构，并借鉴了中国拉面的制作工艺，开发了一种结合循环挤压与热压固化的累积挤压策略。原则上，这种方法可以实现任意大的累积应变，从而提供了一种有效的途径来细化和调控异质结构。增加累积挤压次数被证明可以有效细化异质结构，显著减小特征长度尺度，并使硬质区域的形态从连续带状转变为具有较低纵横比的分段特征。这种结构演变从根本上改变了损伤和断裂机制，使裂纹传播从硬质区域的穿透转变为在软质基体周围的偏转和拔出。结果，材料的延展性和韧性显著提高。这些结果为设计和制造具有增强塑性和韧性的异质AMCs提供了见解。

章节摘录

复合材料制备

如图1a所示，采用粉末冶金工艺制备了CNT增强AMCs。碳纳米管（CNTs）的外径为10-30纳米，长度约为5微米，通过化学气相沉积法合成。平均粒径为13微米的纯铝粉与4体积%的CNTs混合后，在氩气氛围下进行高能球磨。球磨参数如下：球与粉末的质量比为15:1，使用直径为5毫米的球。

微观结构特征及演变

如图1a所示，在高能球磨过程中，钢球的反复冲击使铝粉发生严重的塑性变形，有助于CNTs的掺入及其在铝基体中的均匀分散。在此过程中，铝粉最初被压平成片状形态，然后通过反复变形和冷焊接逐渐演变为更等轴的颗粒[27]、[28]。CNTs的管状形态可以

结论

受中国拉面制作工艺的启发，本研究开发了一种结合循环挤压和热压烧结的累积挤压策略。以CNT增强铝基复合材料为示范平台，构建了具有连续演变长度尺度和结构特征的软硬交替异质结构，显著提高了延展性和韧性。基于对材料的系统研究

CRediT作者贡献声明

Zhefeng Zhang： 资源获取、资金筹集。Zongyi Ma： 资源获取、资金筹集。Bolv Xiao： 资源获取、资金筹集。Zhenyu Liu： 验证、数据管理。Jiapeng Hou： 数据管理、写作-审稿与编辑、可视化、监督、资源管理、项目管理、资金筹集、概念化。Zhiyuan Yang： 数据管理。Han Zhu： 调查、数据管理。Jiani Lv： 写作-初稿、调查、数据管理

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52471152、52173269、52271076、52321001）、中国科学院青年创新促进会（2019191）、辽宁杰出青年基金会（2024JH3/50100015）以及中国科学院的国际合作项目的财政支持。