金屬基復(fù)合材料以金屬為基體，引入陶瓷顆粒、纖維等結(jié)合成新型材料，在航空、航天、軍工、電子等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于金屬和陶瓷之間存在較大的熱膨脹系數(shù)差異（如銅和碳化硅的熱膨脹系數(shù)之比約為4:1），當(dāng)溫度變化時(shí)，兩者的熱收縮不一致將導(dǎo)致熱應(yīng)力和微觀缺陷的產(chǎn)生，對(duì)復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能有重大影響。這是金屬基復(fù)合材料中的基礎(chǔ)問(wèn)題，也是非常復(fù)雜的問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。

近期，省科學(xué)院新材料研究所聯(lián)合湖南大學(xué)，以碳化硅顆粒增強(qiáng)銅金屬基復(fù)合材料（Cu/SiCp）為研究對(duì)象，使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬其降溫處理過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，降溫過(guò)程金屬基體中的位錯(cuò)密度演化經(jīng)歷了難以形核、快速生成和緩慢發(fā)展三個(gè)主要階段。Cu基體中形成復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，其中Shockley不全位錯(cuò)占主要比例，其次是stair rod位錯(cuò)，且在顆粒周圍的基體還形成多種不同尺寸的不完整層錯(cuò)四面體（Incomplete stacking fault tetrahedron，ISFT）。高度穩(wěn)定的stair rod位錯(cuò)以及不完整層錯(cuò)四面體會(huì)阻礙金屬基體塑性變形的進(jìn)一步發(fā)展。研究還揭示了不完整層錯(cuò)四面體等微觀缺陷的形成機(jī)制，并討論了其形成原因以及對(duì)復(fù)合材料加工制備過(guò)程的可能指引。

圖1 圍繞增強(qiáng)體顆粒周圍形成的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)

圖2 圍繞增強(qiáng)體顆粒周圍形成的不完整層錯(cuò)四面體

基于此，還進(jìn)一步分析了熱殘余應(yīng)力和熱誘導(dǎo)微觀缺陷的存在對(duì)金屬基復(fù)合材料力學(xué)行為的影響。經(jīng)過(guò)降溫處理的復(fù)合材料在力學(xué)性質(zhì)上存在壓縮/拉伸不對(duì)稱性，殘余缺陷在微觀演化上也表現(xiàn)出壓縮/拉伸不對(duì)稱性。在拉伸和壓縮過(guò)程的應(yīng)力上升階段，Shockley不全位錯(cuò)密度均增加，而stair rod位錯(cuò)的密度都減少。從微觀角度看，stair rod位錯(cuò)分解為較高能量的Shockley不全位錯(cuò)，會(huì)對(duì)復(fù)合材料起到增強(qiáng)作用，為復(fù)合材料強(qiáng)化的微觀機(jī)制提供一種可能的解釋。

圖3 拉伸和壓縮加載下Shockley位錯(cuò)和stair rod位錯(cuò)密度的演化

相關(guān)研究成果發(fā)表于期刊 Journal of Materials Science & Technology（1區(qū)Top），以及Journal of Alloys and Compounds上，廣東省科學(xué)院新材料研究所熊永南博士為論文第一作者，湖南大學(xué)胡望宇教授和廣東省科學(xué)院新材料研究所鄭開(kāi)宏所長(zhǎng)為共同通訊作者。研究工作得到了廣東省科學(xué)院建設(shè)國(guó)內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動(dòng)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2021GDASYL-20210103102）等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.10.058

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.163664

供稿：復(fù)合材料研究中心

供圖：復(fù)合材料研究中心