天津大学《Scripta》：新策略！实现铝基复合材料优越的强-塑性

编辑推荐：金属基复合材料的强度-延性权衡是其工程应用的关键。本文提出了一种新策略以实现纳米碳-铝复合材料强塑性组合。该策略利用纳米碳结构设计，将多壁碳纳米管（CNTs）纵向展开成石墨烯纳米带（GNRs）。大长宽比的晶内Al4C3和晶间GNR有效地提高了位错存储和加工硬化能力，形成了GNR/Al的强延性协同效应。同时，由致密界面Al4C3固定的GNR通过裂纹桥接、钝化和偏转引入额外的增韧效应。

高强度和高延展性对于开发下一代金属基复合材料至关重要，而它们总是基于位错运动而相互矛盾。由于热处理过程中钉扎力较小，迁移率较高，短CNTs容易分散到超细Al晶粒内部。长碳纳米管和二维石墨烯通常更喜欢位于晶界（GB）处，这将显着减少甚至完全消除复合材料的Orowan增强和晶粒内部的位错储存。

受此启发，天津大学等单位的研究者提出了一种在Al基复合金属（AMC）材料中同时引入晶内碳化物和晶间纳米碳的新策略，其具有纳米碳结构与原位固相反应的稳健界面。通过石墨化碳纳米管的纵向拉伸合成了一种新型GNR增强体，该增强体被用于增强AMC，表现出优异的强度-延性组合。相关论文以题“Regulating microstructure of Al matrix composites with nanocarbon architecture design towards prominent strength-ductility combination”发表在《Scripta Materialia》。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115037

图1 (a)原始CNTs，(b)CNTs的高度分布，(c)GNR，(d)GNR的高度分布。(e-f)Al基体中CNT和GNR的HRTEM。(g-h)CNT/Al和GNR/Al的晶粒结构。

GNR边缘完全暴露石墨棱镜平面并富含纳米缺陷，提高它们的化学活性，增加Al-C间扩散或通过触发Al-C界面反应来促进GNR-Al相互作用，有助于GNR/Al界面的结合。此外强GNR-Al界面将促进变形应变过程中的界面-位错相互作用，并且大纵横比的平面GNR可以通过抑制晶界（GB）迁移更有效地细化晶粒。

图2 纳米碳/Al复合材料的界面反应:(a-c)CNT/Al;(d-g)GNR/Al。(h-k)显示GNR/Al中Al4C3和Al取向关系的反FFT图

少量的晶间Al4C3更偏向沿着ED对齐，由于大尺寸Al4C3导致热失配加剧，在Al4C3-Al界面附近产生了高强度的压应力，在晶界处观察到一些Al4C3层错这与Al4C3的正常堆垛顺序相反。而纳米级Al4C3有效地避免了应力集中，从而降低了Al4C3的脆性，纳米级Al4C3尺寸还会产生Orowan强化。因此，纳米尺寸的Al4C3和Al4C3-Al界面都可以作为位错源和位错障碍，有效地增加了位错的积累和增殖。在GNR/Al中发现了Al4C3与Al之间的多个特定取向关系(ORs)说明在GNR/Al中Al4C3的形成是通过“非均相成核-生长”模式。共格/半共格Al4C3-Al界面有效地降低了界面能量，提高界面键合，有利于减少晶格/弹性模量失配，提高协调变形能力。此外，共格/半共格较高密度的纳米Al4C3界面加上尺寸将发挥强大的钉扎效应。

图3 a)材料工程应力-应变曲线。(b)GNR/Al与报道中复合材料的性能比较

图4 (a-d)复合材料的断口面(g-h)拉伸试验后GNR/Al和CNT/Al中Al4C3-Al界面的TEM观察(i)和(j)显微组织和增强增韧效果示意图。

优异的强度-延展性协同作用，与其他纳米碳铝复合材料的力学性能相比进一步显现出来。细晶强化增强，晶内纳米尺寸的Al4C3，引入Orowan强化以及通过纳米碳结构设计提高负载传递强化有助于高强度。此外，晶粒内Al4C3大长径比的晶间GNR将显著促进位错-加固相互作用，提高位错存储能力，对提高GNR/Al的加工硬化能力和延性至关重要。GNR-Al界面与跨晶Al4C3的强界面结合可以通过裂纹桥接、钝化和挠曲产生额外的增韧效果。在断裂过程中会消耗更多的能量并延迟缩颈。

综上所述，采用多壁CNTs纵向压缩合成的GNR用于增强铝基复合材料，表现出优异的强度-延展性组合。GNR/Al的强度-延展性协同作用主要归因于晶粒细化、晶内/界面纳米尺寸的Al4C3和GNR的大纵横比。与在CNT-Al界面形成大尺寸外延Al4C3相反，通过“异相形核-生长”模式形成的Al4C3与Al形成特定的ORs来保证GNR/Al中较强的界面内聚力，界面Al4C3钉扎的GNR增强了荷载传递强化。强韧可能是通过裂纹桥接、钝化和偏转进行的。此外，晶粒内Al4C3大纵横比的晶间GNR可以增加GNR/Al的位错存储和加工硬化能力。这项工作强调了增强结构设计对于优化微结构和协调MMC的强度-延性权衡的重要性。（文：晓太阳）