金屬材料的構型復合化

郭　強，李志強，趙　蕾，李　贊，馮思文，張　荻

(上海交通大學 金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200240)

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特約專欄

金屬材料的構型復合化

郭強，李志強，趙蕾，李贊，馮思文，張荻

(上海交通大學 金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200240)

復合化是金屬材料實現高性能化的有效途徑，但傳統的金屬基復合材料多以相與組織在空間的均勻分布為特征，沒有充分考慮到材料的復合構型效應，因此不能最大程度地發揮不同組分之間的協同、耦合和多功能響應機制。近年來，國內外的材料科學家逐漸認識到復合構型(Architecture)對于金屬基復合材料強韌化的重要作用，并進行了一些探索研究，發現“非均勻”復合構型更有利于發揮復合設計的自由度和復合材料中不同組元間的協同耦合效應，從而發掘金屬基復合材料的性能潛力。首先綜述了金屬材料構型復合化的研究進展，進而以復合構型的優化設計為切入點，提出可以通過借鑒生物結構材料中的精細復合構型，來制備具有優異綜合力學性能的金屬基復合材料。該研究理念在石墨烯-Al，碳納米管-Al等材料體系中得到了驗證，所制備的復合材料具有良好的強度與塑性/韌性匹配。最后，展望了金屬材料構型復合化的發展趨勢，指出可采用先進的微納米尺度測量技術結合顯微結構表征的方法，以準確揭示非均勻復合結構的性能響應機理，闡明其構-效關系，為復合構型的進一步優化設計與精確“剪裁”提供途徑與方法。

金屬基復合材料；構型復合化；強韌化；顯微結構；力學性能

1　前　言

金屬材料由于具有優異的綜合力學和理化性能，是人類社會發展中的最重要的結構材料。在當代工業技術領域，為了實現減輕結構重量、增大結構效益的目的，輕質、高強度、高模量的金屬結構材料得到了廣泛應用。為了提高金屬材料的性能，人們通過調控材料微觀組織結構和內部缺陷的合金化方法，采用固溶強化、細晶強化、彌散強化和形變強化等強化機制[1,2]，圍繞如何提高金屬材料的強韌性等力學性能開展研究，以滿足不同場合的應用需求。雖然上述方法有效地提高了金屬材料的性能，但是，這些方法實際上并不改變材料的本征特性，如材料的剛度和密度等[3,4]，使得其提高金屬材料綜合性能的效果受到局限。為進一步滿足高科技領域對高性能金屬材料的迫切需求，繼上述方法之后，復合化的方法逐漸得到重視，即：在金屬基體中有目的地引入顆粒、晶須、纖維等兼具結構、功能特性的“增強體/功能體”，在利用材料組分本征性能的基礎上，通過均勻分散和界面控制等方式調節不同組分之間的協同耦合效應、界面效應，從而提高材料的綜合性能。基于此，金屬基復合材料(Metal Matrix Composites, MMCs)在航天、航空、電子、能源、交通等重大工程領域的應用日益廣泛。然而，這種以相和組織在空間均勻分布的金屬基復合材料雖然在一定程度上可以減少因增強體分布不均勻產生的過度應力集中而導致金屬基復合材料脆性破壞，但是這種單純的均勻分布沒有充分考慮到材料的復合構型效應，因此不能最大程度地發揮復合材料中不同組元間的協同、耦合及多功能響應機制，使得金屬基復合材料在強度和剛度提高的同時，塑韌性和損傷容限急劇下降，直到整體呈現脆性而使復合材料的應用受到限制[5,6]。在這樣的背景下，為了提高金屬基復合材料在更高水平和更廣范圍的應用，發展新的材料復合制備理念和技術原型成為必然趨勢。

近年來，國內外的材料科學家逐漸認識到復合構型(Architecture)對于金屬及金屬基復合材料強韌化的重要作用，并進行了一些探索研究，發現混雜(Hybrid)[7]、層狀(Laminate)[8,9]、環狀(Ring)[10]、雙峰(Bi-Modal)[11]、梯度(Gradient)[12]、多孔(Microcellular/Foam)[13]、雙連續/互穿網絡(Bi-continuous/Interpenetrating Networks)[14,15]、分級(Hierarchical/Tri-modal)[16,17]、諧波(Rmonic Structure)[18]等“非均勻”復合構型更有利于發揮復合設計的自由度和復合材料中不同組元間的協同耦合效應，從而進一步發掘金屬基復合材料的性能潛力，實現其性能指標的最優化配置。本文將首先綜述金屬材料構型復合化的研究進展，進而以復合構型的優化設計為切入點，提出可以通過借鑒生物結構材料中的精細復合構型，來制備具有優異綜合力學性能的金屬基復合材料。該研究理念在石墨烯-鋁(Al)，碳納米管-Al等材料體系中得到了驗證，所制備出的復合材料具有良好的強度與塑性/韌性匹配。最后，本文將展望金屬材料仿生復合化的發展趨勢，指出可采用先進的微納米尺度測量技術結合顯微結構表征的方法，以準確揭示非均勻復合結構的性能響應機理，闡明其構-效關系，為復合構型的進一步優化設計與精確“剪裁”提供途徑與方法。

2　金屬材料構型復合化的研究進展

傳統的金屬基復合材料往往通過在金屬基體中有目的地引入一種或兩種顆粒、晶須、纖維等兼具結構、功能特性的異質組元，在利用基體和添加相本身具有的力學、功能基礎上，通過均勻分散和界面控制最大程度地發揮組分間的協同效應、界面效應，得到較好的綜合性能。這種制備理念下的金屬基復合材料多以“均勻”的單級復合結構為特征，沒有更多地考慮“結構效應”。以目前碳化硅增強鋁(SiCp/Al)為代表的微米顆粒增強金屬基復合材料為例，多以增強體在金屬基體中均勻分散為控制目標，這種簡單劃一的“均勻”構型實際上不能最大程度地發揮不同組分之間的協同、耦合和多功能響應機制。特別是，隨著基體中復合的增強體含量增大，雖然強度和剛度顯著增大，但同時卻帶來塑性、韌性和損傷容限的急劇下降，直到呈現整體脆性而使復合材料的應用受到限制，成為阻礙金屬基復合材料應用的主要瓶頸[1,2]。

2.1分級復合構型

分級復合材料由兩種或多種組成相構成，并且其中至少一種組成相本身也是復合材料。Joshi等[16]提出了分級復合構型的示意圖，如圖1a所示。通常，分級復合材料將含有高增強體體積分數的MMCs作為第Ⅱ級復合材料，再與純基體金屬進行復合得到Ⅰ級復合材料。例如，Pandey等[19]將7093Al合金與直徑為10 μm的SiCp顆粒通過球磨混合，制備出SiCp體積分數為15 vol%的SiCp/7093Al復合材料，并將其作為第Ⅱ級復合材料，再將直徑為300 μm的球形7093Al粉與其進行球磨混合，通過粉末冶金工藝制備了具有分級結構的SiCp/7093Al復合材料，其分級結構如圖1b，1c所示。研究結果表明：通過采用分級復合構型，可以在損失較少強度的前提下，提高復合材料的斷裂韌性。Ye等[20]將B4C顆粒與超細晶5083Al顆粒進行低溫球磨獲得B4C/5083Al復合材料，再將此復合材料與粗晶5083Al顆粒均勻混合，制備具有分級結構的B4C/5083Al復合材料，其研究結果表明：具有分級復合構型的B4C/5083Al復合材料與具有相同增強體質量分數的均勻構型的B4C/Al復合材料相比，強度幾乎沒有損失，而延伸率由0.8%提高到了2.5%。可見，分級復合構型有效改善了MMCs的復合效益，提高了MMCs的韌性。

圖1　分級結構示意圖(a) [16]；SiCp/7093Al多級結構的微觀結構(b-c)[19]Fig.1　Schematic of hierarchical structure(a) [16]; the microstructure of SiCp/7093Al composites with a hierarchical structure(b-c)[19]

2.2雙連續/互穿網絡復合構型

“雙連續/互穿網絡復合構型”是指富增強體的硬相區和貧增強體的基體軟相區均在空間連續分布的結構，這類復合材料常常通過將金屬基體熔液浸滲陶瓷增強體預制骨架中得到。例如，Dong等[21]通過在Cr3C2多孔骨架中浸滲純Cu熔液，制備得到Cu-Cr3C2互穿網絡復合材料(圖2a, 2b)，其維氏硬度比純Cu高3倍。彭華欣等[14,22]采用擠壓鑄造的工藝將6061Al與Al2O3骨架(圖2c)復合，得到的復合材料(圖2d)的楊氏模量比含有相同增強體體積分數的均勻單級復合材料有顯著提高。近年來，具有雙連續結構的“諧波材料”逐漸得到重視，在這類材料中，通過噴射研磨(Jet Milling)金屬粗晶粉末使得其表面形成細晶結構，但內部仍保持粗晶結構，然后對粉末進行燒結、致密與變形加工，獲得具有雙連續、雙峰晶粒尺寸分布的材料(圖3)[23]。相比于具有均勻結構的材料，諧波材料的強度大幅提高，但塑性并沒有明顯降低[18,23]。一般認為，軟、硬兩相在空間的連通結構有助于載荷的合理分配，緩解局部應力集中和早期斷裂，因此，具有雙連續/互穿網絡結構的金屬基復合材料往往具有優異的綜合力學性能。

圖2　Cr3C2多孔預制骨架的SEM照片(a)[21]；Cr3C2-Cu復合材料的SEM照片(b)[21]；Al2O3預制骨架的SEM照片(c)[14]；Al2O3-6061Al復合材料的SEM照片(d)[14]Fig.2　SEM images of Cr3C2 porous foam(a)[21], Cr3C2-Cu composites(b)[21], Al2O3 porous foam(c)[14]and Al2O3-6061Al composites(d)[14]

圖3　諧波材料的制備工藝及顯微結構示意圖[23]Fig.3　Schematic of the fabrication process of harmonic structure materials[23]

2.3環狀復合構型

Wong等[10]將多塊MMCs的圓片和純金屬片交替疊加(圖4a)，再通過真空共擠壓工藝制備了類似樹干年輪的環狀Mg-Mg/Al2O3復合材料(圖4b，4c)，其環厚在毫米級。圖4d對比了上述具有環狀復合構型的Mg-Mg/Al2O3復合材料與采用粉末冶金法制備的成分相同的Mg/Al2O3復合材料以及純Mg基體的力學性能。環狀Mg-Mg/Al2O3復合材料的強度為222 MPa，相對成分相同Mg/Al2O3復合材料的強度有所降低，但其塑性明顯提高，且其強度與塑性均要高于其組成基體Mg。可見，采用環狀的復合構型可在較少犧牲材料強度的同時提高MMCs的延伸率，從而有效提升了復合結構效益。

圖4　環狀Mg-Mg/Al2O3復合材料結構與性能[10]：(a)共擠壓前Mg層和Mg/Al2O3層相互疊加的結構示意圖；(b)擠壓后環狀結構的示意圖；(c)擠壓后環狀結構的形貌；(d)抗拉強度與延伸率與其他材料對比Fig.4　The ring-like structure and properties of Mg-Mg/Al2O3 composites[10]: (a) schematic of the laminate structure formed by Mg layers and Mg/Al2O3 layers before extrusion; (b) schematic of the ring-like structure after extrusion; (c) the cross-sectional morphology of the compsites after extrusion; (d) the comparison of ultimate tensile strength and elongation with other materials’s

2.4多芯復合構型

多芯復合構型通過將同等體積分數的增強體優化分布，在整體材料的局部區域形成高體積分數的復合芯，將其作為宏觀連續的增強體。而在這些增強體芯的周圍形成足夠的未增強基體區域，通過這些基體的變形充分吸收斷裂能量來達到韌化目的[24]。例如，秦蜀懿等[25-27]采用真空壓力浸滲結合鑄后熱擠壓工藝制備了具有多芯復合構型的SiCp-6061Al/6061Al宏觀結構增韌復合材料(圖5a)，用高體積分數的SiCp/6061Al復合材料芯棒作為連續增強體增強周邊的6061鋁合金。上述多芯復合材料的整體SiCp含量為15 vol%，而芯部SiCp含量高達45 vol%，其橫截面和縱截面的微觀組織如圖5b，5c所示。研究發現，上述結構設計可以在提高MMCs強度的同時，提高材料的斷裂韌性[25-27]。圖5d對比了上述具有多芯復合構型的材料與攪拌鑄造方法制備成分相同的普通SiCp/6061Al復合材料及6系列Al合金的力學性能。多芯復合材料斷裂韌性高于普通復合材料，其斷裂韌性接近相應的未增強6系列Al合金，表明多芯復合材料對微觀缺陷的敏感程度已降低。進一步研究發現[24]，多芯復合材料顯示出階段性斷裂的失效方式，SiCp/6061Al芯棒之間的6061Al基體充分變形吸收了大量的斷裂能量以及SiCp/6061Al芯棒與6061Al基體之間的界面一定程度的脫粘是上述多芯復合材料主要的韌化機制，這使得這種材料中的主裂紋在亞穩狀態下穩定擴展的時間延長，從而減少了災難性失效的突然發生。

2.5疊層復合構型

疊層復合結構通常以含高體積分數增強體的脆性層和純金屬或合金韌性層交替疊加而成，如圖6a所示。制備MMCs疊層復合結構的常用方法為鍛壓法(Forge Press)，制備的疊層結構的層厚較大，一般在幾十到幾百微米之間[28,29]。Grishaber[29]等通過將多層SiCp/7093Al薄板與Al-Mn(3003Al)合金薄板通過鍛壓復合得到疊層復合材料(圖6b)。上述疊層結構中高增強體含量硬相的層厚在800 μm以上，而Al-Mn合金層厚在200 μm左右。圖6c對比了上述具有疊層復合構型的15 vol% SiCp-7093Al/Al-Mn復合材料與粉末冶金法制備的15 vol% SiCp/7093Al復合材料力學性能。上述疊層復合結構在較少損失材料強度(相對傳統復合材料損失約83 MPa)的同時，有效改善了材料的斷裂韌性(相對傳統復合材料提高了約79%)。然而，由于疊層過厚以及大量宏觀弱界面的引入導致其塑性并沒有得到顯著改善。

圖5　SiCp-6061Al/6061Al復合材料的多芯結構與性能[25-27]：(a)結構示意圖；(b)橫截面的形貌；(c)縱截面的形貌；(d)抗拉強度、延伸率以及斷裂韌性與其他材料對比Fig.5　The multicore structure and properties of SiCp-6061Al/6061Al composites[25-27]: (a) schematic of the multicore structure; (b) cross-sectional morphology of the composites; (c) the longitudinal section morphology of the composites; (d) the comparison of ultimate tensile strength, elongation and fracture toughness with other materials’s

3　金屬材料構型復合化的設計舉例：仿生構型金屬基復合材料

第2節中介紹了多種非均勻復合構型，它們的共同之處在于：基于復合材料在服役場下的性能要求，均將微觀組織分化區隔為基體軟相區和增強體硬相區，通過基體與增強體在空間的合理構型設計與協調耦合，有效阻止裂紋萌生、擴展，提高其韌性；同時，軟、硬兩相剛柔相濟，在提高金屬基復合材料強度、剛度的同時保持和提高其塑性變形能力[11]。但目前存在的問題是，盡管上述研究對具有非均勻復合構型的金屬基復合材料進行了有益的探索，但對非均勻復合結構中的強韌化機制和各種性能影響因素的復雜耦合效應很少涉及。而更為重要的是，上述研究比較零散，僅孤立地對某些特定復合構型的結構特征與性能響應進行報道，而缺乏對非均勻復合構型金屬基復合材料共性問題的闡釋，也尚未提出以具體性能為導向對復合構型進行最優化設計的途徑與方法。

如何才能設計并實現最優化的復合構型呢？我們向大自然學習。自然界生物結構材料(如貝殼珍珠層、骨骼、牙齒等)中精細的復合構型為金屬結構材料綜合性能的提高提供了極好的范例，也為人工復合材料的構型優化設計提供了靈感和啟迪。以典型的貝殼珍珠層結構為例，其微觀結構是由數百納米的碳酸鈣片層(“磚”)交錯分布在有機介質基體(“泥”)中，形成“磚砌”復合構型。雖然貝殼珍珠層中脆性碳酸鈣片層的體積分數可達95%以上[30,31]，但卻在不犧牲強度的同時具有遠超過其相應單質材料的塑性/韌性：均勻形變可達8%[32]，斷裂功比脆性陶瓷材料組元高約3000倍[31]，斷裂韌性比脆性陶瓷材料或有機介質高一個數量級[33]。實驗研究和理論模擬、計算研究均發現，貝殼珍珠層優異的強度和塑性/韌性匹配來自于納米尺度組元的尺寸效應和幾何約束效應[30]，以及“磚砌”復合構型所特有的阻滯裂紋萌生與擴展、提高裂紋傳播時的能量耗散等一系列的內稟與外稟韌化機制(Intrinsic/Extrinsic Toughening Mechanisms)[33,34]。

在自然界生物結構材料的啟發下，仿生復合成為近年來材料學領域的研究熱點，并引領復合材料向更精確、更高效的全新領域發展。仿生復合，就是通過模仿具有優異力學和功能特性的自然生物材料的微觀復合構型，并將其應用于工程材料的復合過程中，制備具有多尺度、多層次仿生物結構的復合材料。最近十幾年來，貝殼珍珠層跨尺度(納米—亞微米—微米)、非均勻的磚砌構型已成為高強、高韌材料的模仿對象，特別是在有機-無機復合材料的合成和性能方面開展了較多研究[35-38]。例如Sellinger等人[35]采用浸漬提拉法(Dip-coating)制備了仿貝殼磚砌結構的聚烷基甲基丙烯酸十二酯-SiO2、聚(4-甲基苯乙烯)-SiO2和聚(4-氯甲基苯乙烯)-SiO2復合材料。納米壓痕實驗結果表明：由于有機-無機之間的聚合作用，復合材料的硬度從0.1～0.4 GPa提到0.8～1.0 GPa，接近了溶膠凝膠法制備的致密SiO2薄膜的硬度(1 GPa)。Bonderer等人[37]采用自下而上的膠體組裝法(Bottom-up Colloidal Assembly)合成了Al2O3-殼聚糖仿貝殼納米疊層復合薄膜，發現其具有優良的強塑性(強度>300 MPa，延伸率>20%)，并且發現Al2O3磚砌片層和有機質基體之間的界面結合對載荷傳遞效率起關鍵作用。另外，Jiang Lei等人[38]通過蒸發誘導的自組裝工藝(Evaporation-induced Assembly Process)制備了仿貝殼結構的石墨烯/聚合物復合材料，發現其優異的性能來源于仿貝殼的磚砌結構和界面相互作用的協同韌化效應。然而，在金屬基復合材料領域，研究人員盡管也進行了一些嘗試，但在構筑多尺度(納米-亞微米-微米-宏觀塊材)仿生磚砌構型復合材料方面尚未取得突破，主要的研究僅局限于對單一尺度連續疊層結構的制備和表征。例如：加州大學Ritchie小組[39]采用冰凍鑄造法(Freeze-casting)，利用陶瓷料漿的定向凝固預先制備Al2O3層狀骨架，然后再向其中浸滲Al-Si共晶合金，從而得到了Al2O3-Al-Si疊層復合材料。雖然冰凍鑄造的工藝路線可以制備得到毫米級的宏觀樣品[39]，但復合材料的疊層厚度只能達到10 μm，遠未達到磚砌復合構型發揮其最佳強韌化效應的納米特征尺度[30]，因此其抗拉強度遠低于理論預期；Kang等人[40]采用選擇性的浸漬提拉技術，制備了Cu-CNT納米層狀復合材料薄膜。與Cu基體相比，Cu-CNT納米層狀復合材料強度和模量都得到了明顯的提高。但是，該研究采用的制備方法難以得到宏觀塊體材料，使得其在更廣泛領域的應用受到限制；類似的，Kim等人[41]通過交替蒸發金屬薄膜和轉移單層(或雙層)石墨烯到金屬基體上，制備了石墨烯-Cu和石墨烯-Ni納米疊層復合薄膜。復合薄膜微柱壓縮實驗顯示，石墨烯/金屬界面能夠有效阻礙材料變形過程中位錯的運動，增進位錯在晶內的存儲，使復合微柱的強度較金屬單質微柱顯著提高。

近年來，本課題組采用自主創新的仿生復合制備工藝，制備了以疊層取向單一、有序的仿貝殼珍珠層磚砌結構Al2O3-Al[42]、CNTs-Al[43,44]、石墨烯-Al[45,46]和石墨烯-CNT混雜增強Al[47]等仿生磚砌構型復合材料塊材，其微觀結構不僅呈現仿貝殼珍珠層的磚砌構型，而且在疊層尺寸上達到了貝殼珍珠層的亞微米和納米尺度。以石墨烯-Al復合材料為例[45,46]，在利用石墨烯高強度、高模量的本征力學性能[48]的同時，也利用其二維形態特征與金屬基體Al片之間更好的幾何相容性，實現了仿生復合構型與材料組分本征特性的有效耦合，進而獲得優異的綜合力學性能。研究發現：與傳統的金屬基復合材料相比，石墨烯-Al仿貝殼磚砌構型復合材料在提高強度的同時保持了良好的延伸率，實現了優異的強度/剛度和塑性/韌性匹配。如圖7所示，我們在傳統的粉末冶金法的基礎上加以改良，通過鋁粉的球磨、氧化石墨烯(GO)的吸附和還原、熱壓和軋制的工序制備出疊層結構石墨烯(還原氧化石墨烯，RGO)-Al復合材料。并且，拉曼光譜分析表明(圖7g)，該制備工藝減少了合成過程對石墨烯本征結構的破壞，保持了石墨烯優異的本征性能。如圖8所示，通過透射電子顯微學(TEM)分析，我們表征了所合成的1.50 vol% RGO-Al復合材料截面的顯微結構。結果表明，在經過一系列的宏觀塊體樣品制備工序后，石墨烯在復合材料內部仍保持有序的疊層分布方式。其中，每層Al基體的層厚僅約為200 nm，石墨烯/Al界面則是由5 nm厚的多層石墨烯及其兩側的Al2O3構成。為了研究石墨烯含量對復合材料力學性能的影響，我們采用相同的工藝流程和工藝參數制備了1.50 vol% RGO-Al、0.75 vol% RGO-Al和不添加石墨烯的純Al樣品，并在相同條件下沿疊層方向對三種樣品進行拉伸試驗，其應力-應變曲線如圖9所示。0.75 vol% RGO-Al的強度(260±2 MPa)和楊氏模量(78.3±0.6 GPa)比純Al樣品分別高約29%和8%，1.50 vol% RGO-Al的強度(302±3 MPa)和楊氏模量(87.1±0.8 GPa)相比純Al樣品分別提高了約50%和21%。并且，與純Al相比，盡管復合材料的均勻延伸率有所下降，但總延伸率與純Al相當，這表明石墨烯的存在不僅可以高效地提高復合材料的強度，還為復合材料引入了顯著的韌化效果。為了探究這種韌化機制，我們通過原位TEM分析對復合材料在形變過程中的顯微結構和裂紋擴展路徑進行研究。結果表明，在復合材料中，納米疊層結構可以使裂紋偏轉，進而使得裂紋沿曲折的路徑擴展直至樣品斷裂。相比之下，在不添加石墨烯的純Al樣品中，由于缺少納米疊層結構，裂紋萌生后可以沿平直的路徑迅速擴展，進而使得樣品的總延伸率降低。上述研究驗證了仿生磚砌復合構型在提高金屬基復合材料綜合力學性能方面的顯著優勢，并且通過原位和離位的TEM分析，初步探索了仿生磚砌構型金屬基復合材料的強韌化機理，并提出磚砌構型中存在的裂紋偏轉、橋接等機制在阻礙裂紋擴展方面起到了關鍵作用。

圖8　石墨烯含量為1.50 vol%的RGO-Al疊層復合材料的微觀結構表征：(a) 復合材料截面的TEM照片；(b) RGO/Al界面的高分辨透射電鏡(HRTEM)照片[46]Fig.8　Microstructural characterization of RGO-Al nanolaminated composites with RGO concentration of 1.50 vol %: (a) cross-sectional TEM image of the hot-rolled composites; (b) HRTEM image of the interface of RGO and Al matrix[46]

圖9　不同RGO含量的RGO-Al復合材料及純Al樣品的拉伸試驗的工程應力-應變曲線[46]Fig.9　Engineering stress-strain curves for RGO-Al composites and the unreinforced Al matrix[46]

4　金屬材料構型復合化的發展與展望

復合構型以及多種效應提升相關性能，已成為推動金屬基復合材料發展的必然趨勢。然而，目前國際上對于金屬材料的構型復合化僅開展了一些初步的探索性研究，依然存在著眾多關鍵科學和技術問題亟待解決，包括：構型復合化制備技術的放大、綜合力學性能的定向調控、非均勻復合結構的多功能響應機制等。只有解決了這些關鍵科學與技術問題，才能推動金屬基復合材料在更廣泛領域的應用。在這樣的背景下，筆者認為，研究者應充分利用近年來發展起來的先進表征手段，如掃描電鏡[49]和透射電鏡[50]的力學性能原位測量、聚焦離子束[51]、三維原子探針[52]等技術，在更小的尺度上更精確地研究非均勻復合構型內部各結構參量對其性能的影響規律，以及不同組元間界面的特性與協同耦合效應，進而揭示非均勻復合構型的空間分布方式對其力學行為和功能特性的影響規律；在此基礎上，建立非均勻復合結構的有限元和分子動力學模型，對材料的變形與斷裂行為進行可靠預測，為金屬材料的構型復合化提供理論依據和實用途徑。

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(編輯惠瓊)

Metal Matrix Composites with Microstructural Architectures

GUO Qiang, LI Zhiqiang, ZHAO Lei, LI Zan, FENG Siwen, ZHANG Di

(State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

An effective way to improve the properties and performance of metallic materials is to form metal matrix composites (MMCs). However, traditional MMCs are characterized by a uniform spatial distribution of constituent phases and microstructures, which is unfavourable to fully take advantage of the synergistic, coupling, reinforcing effects, and multi-functional response mechanisms from the different phases of the composites. In recent years, materials scientists throughout the world have gradually realized the importance of microstructural architecture for the improvement of the overall mechanical properties of metal matrix composites, where studies show that nonuniform architectures are more favorable to take full advantage of the coupling effect of the constituent phases and subsequently realize their reinforcing potential for various properties of the composites. In this paper, the development of the architectured MMCs was reviewed first, and it was proposed that the delicate architectures in hard biological materials may inspire the design of advanced MMCs with superior properties.This concept has been verified in graphene-aluminum (Al) and carbon nanotube (CNT)-Al composite systems, where the composites have significantly enhanced mechanical properties than the unreinforced matrix materials, and have a balanced strength-ductility/toughness synergy. Before closing the discussion, this paper overviewed the perspective of architectured MMCs and proposed that, by using state-of-art micro-/nano-scaled characterization tools combined with site-specific microstructural analysis, the deformation mechanism and the property-structure correlation can be pinpointed, leading to improved design and tailoring of architectured MMCs.

metal matrix composites; microstructural architecture; strengthening-toughening; microstructures; mechanical properties

2016-06-15

國家自然科學基金資助項目(51131004)；科技部“973”計劃項目(2012CB619600)

郭強，男，1982年生，研究員，博士生導師

張荻，男，1957年生，教授，博士生導師，Email:zhangdi@sjtu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.09.01

TB331

A

1674-3962(2016)09-0641-10