金属顶刊《Acta Materialia》新型反珍珠层结构！大幅提高镁基纳米复合材料的强度和延展性！

2022-02-23 14:53:00 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：模仿珍珠层结构是开发高强度和高韧性材料的常用方法。本文提出了一种新的策略，称为逆珍珠层结构，其中细长和卷曲的软成分嵌入硬成分矩阵中，形成有序的实体排列。这种策略在颗粒增强金属基复合材料中得到了证明，使用纯镁作为软相，碳化硅纳米颗粒增强镁作为硬相。所得纳米复合材料具有高强度，特别是高拉伸伸长率，是均质对应物的五倍。优异的综合强化增韧效果源于量身定制的反珍珠层结构，该结构通过充分促进应变硬化来实现稳定的微裂纹增殖过程，从而避免后期抗拉强度的任何显著下降。这种策略虽然在此仅针对颗粒增强镁的特定情况进行了展示，但并不局限于任何特定的材料系统，而是构成了开发用于工程应用的高性能材料的通用途径。

颗粒增强金属基复合材料（PRMMC）被认为是用于轻量化和节能设计策略的下一代结构材料。传统上，增强粒子经过精心处理以实现均匀分散，以最大限度地提高增强效果。虽然这些传统的PRMMC已显示出显著提高的强度，但它们通常表现出明显的延展性降低。这种强度和延展性之间的权衡是一个长期存在的问题，并且极大地限制了材料的实际应用。人们在追求同时具有高强度和高延展性的PRMMC方面做出了广泛的努力。

最近年来，通过调整粒子的空间分布来构建异构结构的策略引起了相当大的兴趣。考虑到三维空间中相位的连通性或连续性，存在多种异质结构模式。经过多年的努力，已经提出并证明了几种异质结构，例如分层结构、网络结构和仿生结构，它们确实导致强度-延展性协同作用的增强，远远超过了它们各自的同质结构。一般来说，异质设计策略的目的是激活多种强化或增韧机制，例如应变分配、背应力强化、延迟颈缩，以及裂纹偏转和桥接的外在增韧机制。其中，仿生结构因其在克服强韧性困境方面的先进性而备受关注。

众所周知，大自然非常擅长规避强度与延展性的权衡问题，并且长期以来通过结合“软”（低强度但高延展性）和“硬”（高强度但低延展性）来进化出具有出色机械性能的多种复合材料组成层次结构。最值得注意的例子是珍珠层，尽管主要由脆性文石（95vol.%）组成，但与纯文石相比，其强度增加了两倍，断裂韧性增加了大约三个数量级。对珍珠层结构的深入研究表明，其优异的性能主要归功于它的构建块，其中250-500nm厚的文石薄片通过30-90nm厚的薄生物聚合物层粘合在一起，形成高度有序的“砖块和砂浆”结构。这种巧妙的结构允许珍珠层内同时存在多种强化或增韧机制，尤其赋予珍珠层卓越的抑制裂纹扩展能力，为构建具有优异综合性能的新型PRMMCs提供了设计理念。

受珍珠层的启发，珍珠层状复合材料的开发采用了多种技术，例如逐层工艺、蒸发诱导自组装、喷涂和冷冻铸造，但具有珍珠层状结构的PRMMC的大规模制造是仍然是一个巨大的挑战。主要障碍在于难以将高体积分数的硬成分嵌入少量软成分中以形成高度有序的层状结构。以往在这方面的研究一般采取折衷的方法，减少硬质成分的含量。例如，使用薄片粉末冶金技术开发了一种受珍珠层启发的Al2O3/Al层压复合材料，其中5vol.%的天然Al2O3纳米层和添加的Al2O3颗粒被用作“砖”。这种硬质和软质成分含量颠倒的珍珠母结构被称为逆珍珠母结构，尽管只有体积分数而不是结构的拓扑性质（嵌入软连续基质中的硬片晶）被倒置。这种结构已经实现了韧性的提高，但是由于高含量的软质成分被用作支撑骨架，因此得到的复合材料提高强度的能力有限。因此，必须开发一种模拟珍珠结构的不同方法，以实现更显著的强度和延展性协同增强。

在此，西南交通大学力学与航天工程学院，四川省应用力学与结构安全重点实验室的Xi Luo和Ke Zhao等人联合美国中佛罗里达大学机械与航空航天工程系的Yuanli Bai等提出了一种新型的反珍珠层结构，以实现PRMMC的高强度和高延展性。这种反珍珠层结构继承了分层层状性质，具有与珍珠层相当的高硬成分含量。然而，不同于珍珠层状和先前报道的反珍珠层结构，其中硬成分是不连续的并嵌入软成分的连续基质中，新提出的反珍珠层结构表现出微观结构的拓扑反转，其中软成分分散在连续的基质中。硬成分矩阵形成有序的“砖（软）和砂浆（硬）”排列。在这里，采用简单且可扩展的粉末冶金方法在SiC纳米颗粒增强镁基复合材料中创建这种新型结构。拉伸试验结果表明，本文提出的反珍珠层结构同时提高了强度和延展性，其综合强化-增韧效率优于先前报道的异质结构。相关研究成果以题“NEvading strength and ductility trade-off in an inverse nacre structured magnesium matrix nanocomposite”发表在材料顶刊Acta Materialia上。

链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422001161

原料为市售纯（>99.9%）粒径约为150μm的Mg粉末和平均粒径为50nm的SiC纳米颗粒用作起始材料。这项工作中的合成过程如图1所示。首先，通过行星球磨将Mg粉末与5vol.%SiC粉末混合。构建反珍珠层结构的第一步是获得核壳结构的复合粉末，其中软核为纯镁，硬壳由碳化硅纳米颗粒和镁组成。根据我们以往的研究，核壳结构的复合粉末可以通过球磨在短时间内形成；而随着球磨时间的增加，它会逐渐消失并被均匀的结构所取代。根据我们之前的工作，此处使用150RPM的球磨速率和20小时的球磨时间来制备核壳结构粉末。为了比较，还制备了均匀的复合材料粉末，用于通过球磨40小时制造均匀的复合材料。然后通过在600°C和50MPa的单轴压力下热压对两种研磨后的粉末进行烧结，然后在150°C下以14:1的挤压比进行挤压。由核壳粉末制成的复合材料称为反珍珠层复合材料（inverse-MgNC）；而由均质复合粉末制成的复合材料称为均质复合材料（homo-MgNC）。

图1 （a）制备镁基纳米复合材料的过程示意图。（b）原始Mg和SiC粉末的形貌。（c）复合粉末的形貌和截面观察显示，在研磨20小时后形成核壳结构，在研磨40小时后形成均匀结构。（d）由核壳结构的均匀粉末制备的复合材料的微观结构。

图2 （a, b）逆MgNC的3D渲染。（c, d）BSE-SEM图像分别显示平行和垂直于挤压方向的反向MgNC横截面。（e）高倍BSE-SEM图像和（f）：（c）中由虚线矩形标记的区域的相应EDS元素图。（g）BSE-SEM图像和（h）均质MgNC的相应EDS元素图。

图3 软相的特征尺寸。（a）特征结构示意图。（b-f）软相的长度、宽度和厚度、曲率和间距的统计直方图。每个参数的计数超过100。

图4 反相MgNC的晶粒结构。（a）显示异质晶粒结构的代表性TEM图像。（b）硬质相的高倍TEM图像，插图显示选定区域的衍射图案。（c）沿ED的EBSD图和晶粒取向图例显示了软相的晶粒结构。（d，e）分别在硬相和软相中的晶粒尺寸分布。

图5 反向MgNC的局部错向分析。（a）内核平均错误方向（KAM）图，KAM比例范围从蓝色到红色，代表0°-5°错误方向。（b）从相应的KAM映射结果估计的全球GND密度分布。（c）特定晶粒中的相对GND密度绘制为从晶粒中心到晶界的距离的函数。

图6 镁基材料的力学性能。（a）反相MgNC和均相MgNC中软硬相的纳米压痕载荷-位移曲线。（b）反向MgNC、均质MgNC和纯Mg的拉伸工程应力-应变曲线。（c）应变硬化率曲线。（d）反相MgNC与其他结构Mg和Al基复合材料的强化和增韧效率的比较。（d）中的空心、半空心和实心符号分别代表具有均质、异质和珍珠层状结构的复合材料。

图7 反MgNC损伤演变的典型SE-SEM图像。（a, b）用于比较的均质MgNC的损伤行为。（c-f）逆MgNC中的微裂纹增殖过程随着施加的应变增加。（g）分散分布的微裂纹，表明均匀变形和变形引起的损伤。（h）断裂附近有大量钝性微裂纹，表明反向MgNC中的裂纹扩展路径。黄色虚线表示软相和硬相的边界。

图8 逆向MgNC中裂纹演化的三维表征。（a-c）在（a）5%、（b）10%和（c）15%的宏观应变连续增加时复合材料中裂纹的3D可视化形态。（d, e）各种应变下裂纹演化的定量分析：（d）硬相和软相中裂纹的体积分数；（e）裂纹尺寸分布。（e）的插图中给出了不同应变下的总裂纹数的计数。

图9 拉伸试验后反MgNC的代表性TEM图像。（a）软相晶粒内的高密度位错。（b）与硬相相邻的软相晶粒中的位错堆积。黄色虚线表示软相和硬相的边界。

图10 变形软相晶粒中的位错配置。（a）TEM图像显示被检查颗粒的位置。（b-f）使用不同衍射矢量在同一区域拍摄的双光束TEM图像

图11 逆MgNC断口图。（a）CLSM图像显示了断口的三维形态。（b）SE-SEM图像显示具有韧性断裂特征的区域被染成黄色的代表性断裂表面。（c, d）高倍放大SE-SEM观察揭示了详细的断裂特征。提供了均质MgNC的断面图以进行比较：（e）CLSM图像和（f）SE-SEM图像。（a, e）的颜色代表颜色条中指示的相对高度。

图12 （a）基底织构晶粒中的代表性晶体取向。（b）与局部GND密度相关的软相曲率示意图。（c）显示在硬相交错微裂纹形成后软相局部应力状态变化的简化模型。

综上所述，在这项工作中，提出了一种独特的具有反珍珠层结构的镁基纳米复合材料，其中软成分（具有高纵横比的纯镁带）嵌入硬成分（SiC纳米颗粒增强镁）的基体中，从而可以规避PRMMC的强度和延展性之间的权衡问题。证明了独特的复合材料表现出优异的联合强化增韧效果。强度的显着提高源于复合材料特殊的几何构型，其中软相中的织构Mg晶粒和软相的VSG结构提供了额外的强化效果，软硬相的不均匀变形产生了HDI强化。增强的延展性是由于反珍珠层结构引起的有效微裂纹增殖过程以及由于交错微裂纹的形成而导致的软相局部应力状态的转变。此外，由增强的位错硬化和HDI硬化引起的软相应变硬化补偿了由于在硬基体中形成微裂纹而导致的强度损失，避免了复合材料的后UTS应变软化并导致高拉伸伸长率。尽管目前的工作重点是镁基MMC，但这种反珍珠层结构有望适用于各种材料系统，用于设计高性能复合材料，以满足许多需要减轻重量和提高能源效率的应用的需求，包括航空航天和汽车系统。

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