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《Appl. Mater. Today》劉樂華等工作：金屬玻璃晶格增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2024-01-14  瀏覽次數(shù)：3173
在均勻基體中引入二次相或增強(qiáng)物形成復(fù)合結(jié)構(gòu)是調(diào)整金屬材料力學(xué)性能最重要和有效的策略之一，已應(yīng)用于幾乎所有金屬材料的增強(qiáng)。盡管制造金屬基復(fù)合材料(MMCs)的方法多種多樣，但目前采用的大多數(shù)方法都是使用不間斷的結(jié)晶陶瓷顆粒作為增強(qiáng)體。然而，基體內(nèi)部聚集的非連續(xù)強(qiáng)化削弱了強(qiáng)化效果，局部應(yīng)力集中使其表現(xiàn)出延性降低。因此，探索設(shè)計(jì)和制造結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良的復(fù)合材料具有重要意義。

為了克服材料的強(qiáng)度-延性權(quán)衡關(guān)系，提出了在齊均質(zhì)基體中構(gòu)造具有功能單元的有序結(jié)構(gòu)(OSFU)的概念，并取得了重大進(jìn)展，可以有效地用于提高金屬材料的力學(xué)性能。金屬玻璃(MG)因其高強(qiáng)度、彈性極限(~1.8%)和低模量(80~100 GPa)成為傳統(tǒng)增強(qiáng)材料的理想替代品，目前已經(jīng)發(fā)展到制備多孔MG階段。然而，制造多孔MG的高生產(chǎn)成本尚未得到充分解決，阻礙了其廣泛應(yīng)用。

近日，華南理工劉樂華教授課題組提出了一種設(shè)計(jì)和制造MG晶格增強(qiáng)MMC的新策略。采用增材制造和HPDC相結(jié)合的方法，制備了具有不同結(jié)構(gòu)的Zr基MG晶格增強(qiáng)的新型不銹鋼（SS）基復(fù)合材料，定量研究了MG晶格結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)系。相關(guān)研究成果以“Novel metal matrix composites reinforced with Zr-based metallic glass lattices”為題在Applied Materials Today上發(fā)表。

研究人員使用三維金屬玻璃(MG)晶格增強(qiáng)金屬，發(fā)現(xiàn)以30 % MG為體心立方晶格增強(qiáng)的復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，塑性明顯高于某些顆粒增強(qiáng)不銹鋼復(fù)合材料和大多數(shù)常規(guī)非原位MG基復(fù)合材料。性能的增強(qiáng)主要來自于設(shè)計(jì)合理的組織結(jié)構(gòu)、硬質(zhì)MG與軟質(zhì)不銹鋼的有機(jī)結(jié)合及其協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制。研究人員提出的加工路線克服了MG只能用于強(qiáng)化低熔點(diǎn)材料的限制，并將MG增強(qiáng)體的空間形式從分散的顆粒和帶狀擴(kuò)展到三維晶格。該鑄態(tài)復(fù)合材料具有較高的抗壓強(qiáng)度和較大的塑性應(yīng)變。MG晶格的名義模量越高，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度越大，斷裂塑性應(yīng)變?cè)叫?。而力學(xué)性能的提升主要源于MG和SS的協(xié)同增強(qiáng)，以及SS基體對(duì)裂紋擴(kuò)展的顯著抑制。該結(jié)果闡明了MG晶格增強(qiáng)復(fù)合材料的變形機(jī)理，為復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。在軟SS合金中引入有序硬MG功能單元的設(shè)計(jì)理念和加工路線可以推廣到其他合金體系，以實(shí)現(xiàn)性能的改善。該研究克服了突破材料基體必須是低熔點(diǎn)材料的限制，而且將MG增強(qiáng)材料的形態(tài)從不連續(xù)分布的顆粒和帶狀擴(kuò)展到連續(xù)的三維晶格。






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