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性能前所未有!開發新型高強、高韌、超高剛度鋁基復合材料 (南京理工+山大+香港城大)

導讀:本文報告了一種液固反應方法,該方法結合了擇優顆粒取向來制造具有超高楊氏模量(105 GPa)、高拉伸強度(495 MPa)和一定延展性(6.2%)的異質結構Al3BC/6061復合材料。Al3BC納米片晶的擇優取向有助于超高的剛度,并且Al基體的異質晶粒結構有助于異質形變誘導應力的產生和額外的應變硬化,從而產生高強度和良好的延展性。這些結果為改善金屬基復合材料的機械性能帶來了巨大的潛力。


具有高強度,延展性和高剛性的輕質鋁合金在汽車,航空航天和生物醫學領域的應用越來越吸引人,以用來提高能源效率并減少排放。令人遺憾的是,在鋁及其合金中很難獲得這樣的特性曲線,因為這些特性通常是相互排斥的。特別是鋁的低楊氏模量(剛度)(70 GPa)尤其難以改善。通常,可以設想用高模量陶瓷顆粒(例如,碳化物,硼化物和氮化物)增強的鋁基復合材料(AMCs)同時提高其強度和剛度,但這不可避免地導致延展性降低。這種現象源于增強顆粒(硬質)和鋁基體(軟質)之間的塑性變形不兼容,以及在界面處產生必要的幾何位錯(GNDs)和應變梯度。例如,具有高體積分數(約25 wt%)的Al3BC顆粒的6061 Al基復合材料顯示出約485 MPa的極限抗拉強度,但在顆粒/Al界面處出現了嚴重的應力集中,并明顯降低延展性(小于2%)。另一方面,AMCs剛度的提高總是受到顆粒的隨機取向和由于嚴重團聚引起的體積分數約束的限制。


近年來,異質結構材料因其卓越的機械性能而受到廣泛關注,其微觀結構范圍從納米到微米,這主要歸因于幾何必須位錯(GND)的數量聚集而引起的異質變形(HDI)增強。例如,將軟微晶Ti薄片嵌入硬質超細Ti薄片基質中,可以顯著提高應變硬化率并因此具有較高的延展性。受此概念的啟發,作者先前的工作首先證明,與傳統的均質顆粒增強型AMCs相比,基體中包含雙峰晶粒結構的異質結構Al-(TiC + TiB2)復合材料具有良好的強度和延展性組合。然而,由于顆粒的隨機分布,進一步提高其剛度仍然是一個挑戰。


在這里,南京理工大學聯合山東大學、香港城市大學道了一種異質結構的Al3BCp/6061復合材料,具有超高的剛度(可與鈦合金相比),極高的抗張強度和良好的延展性,其組合優于幾乎所有已報道的AMCs。新策略主要依靠異質結構化的Al基體與各向異性納米片的擇優分布相結合,利用這種方式獲得一種優越的性能。相關研究結果以題“Stiff, strong and ductile heterostructured aluminum composites reinforced with oriented nanoplatelets”發表在國際頂刊Scripta materialia上

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.08.017


測得EXT試樣的屈服強度(YS)和極限抗拉強度(UTS)分別為~328 MPa和~447 MPa,相應的均勻延伸率(UE)為~4.5%。從不同應變條件下復合材料的拉伸工程應力-應變曲線(圖2a)可以看出,HR80和HR90試樣的YS、UTS和UE隨著應變的增大而同時增大。還可以注意到,拉伸試驗確定的彈性模量(E)從EXT試樣的72.9 GPa增加到HR90試樣的105 GPa。據我們所知,在鋁基復合材料中還未見過如此優越的強度-韌性-剛度組合。


圖1. Al3BC/6061復合材料的微觀結構(RD-ND平面),顯示了Al3BC的分布和取向:(a)EXT,a所示為Al3BC的形態;(b)HR80;(c)HR90;(d)HR95;(e)Al3BC的HRTEM圖像;(f)Al-Al3BC界面的典型晶格條紋圖像。插圖是(f)中標記的紅色和黃色矩形的傅里葉濾波HRTEM圖像,顯示了Al矩陣和Al3BC的晶格條紋;(e)的插圖示出(f)的對應的快速傅立葉變換(FFT),其指示Al3BC和α-Al的晶體取向關系。



圖2. Al3BC/6061復合材料的拉伸性能:(a)工程拉伸應力-應變曲線;(b)應變硬化率曲線


圖3. Al3BC片狀取向與復合材料E值的關系:(a)Al3BC片的平均取向角(θ)的變化;(b,c)E分別相對于RD的片取向(θ)和拉伸方向(α)的變化。


圖4.當前的Al3BC/6061復合材料的楊氏模量與延展性(a)以及抗拉強度(b)的關系。顯示了其他的AMCs數據以進行比較


綜上所述,我們在自主設計的Al3BC/6061基復合材料中成功地獲得了優異的剛度-強度-延展性。各向異性的Al3BC納米片的取向產生高的剛度,并且鋁基體的異質晶粒結構引起附加的HDI硬化并變形,從而導致高應變硬化率。通常,結合傳統擠壓或軋制的液-固反應方法可以容易地規模化用于工業生產。現在,我們專注于將此處演示的概念擴展到其他輕質金屬組合.

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