摘要：界面是影响复合材料的强度和塑性平衡及获得高性能的关键，在金属与陶瓷的结合和有效的载荷传递中起着重要作用。特别是对于高体积分数陶瓷/金属复合材料来说尤其重要，因为其具有更多的异质界面，其热机械性能和化学完整性决定了复合材料及其部件的功能和可靠性。众所周知，与传统
界面是影响复合材料的强度和塑性平衡及获得高性能的关键，在金属与陶瓷的结合和有效的载荷传递中起着重要作用。特别是对于高体积分数陶瓷/金属复合材料来说尤其重要，因为其具有更多的异质界面，其热机械性能和化学完整性决定了复合材料及其部件的功能和可靠性。众所周知，与传统金属基复合材料相比，高体积分数陶瓷/金属复合材料具有更高的强度和刚度，以及更低的热膨胀系数，被认为是各种行业中非常有前途的结构和功能材料。然而由于陶瓷含量较高，其往往具有较低的塑性，在制备和加工过程中往往由于陶瓷/金属界面结合较差而产生界面缺陷。因此，在高体积分数陶瓷/金属复合材料的设计和制备中，如何调控陶瓷颗粒和金属基体的界面，以进一步平衡复合材料的强度和塑性，以实现优异的力学性能和高温稳定性，是目前研究的瓶颈。
【研究亮点】
本研究提出了一种通过调控陶瓷/金属界面以获得优异强塑性的高体积分数陶瓷-金属复合材料的新策略，利用晶格匹配良好、界面粘着功高的陶瓷/铝界面有效地传递载荷、约束复合材料的塑性变形，实现高体积分数复合材料陶瓷/金属强塑性同步提高、耐磨性增强、热膨胀系数降低。
【全文导读】
吉林大学邱丰教授、杨宏宇研究员团队提出了一种通过调控陶瓷/金属界面以获得优异强塑性的高体积分数陶瓷-金属复合材料的新策略。通过Al-Ti-B4C体系一步法反应及致密化，获得了界面结合良好、无陶瓷颗粒团聚的50~60 vol.% (TiC+TiB2)/Al复合材料。由于改善了陶瓷颗粒和铝基体界面的结合强度，变形过程中裂纹扩展时的能量耗散增加，(TiC+TiB2)/Al复合材料力学性能提高。(TiC+TiB2)/Al复合材料中界面强度提高来源于Al-Ti-B4C体系反应时更低的反应放热量以及陶瓷/金属之间更好的晶格匹配和更高的粘着功。研究成果以题为“Interface formation and bonding control in high-volume-fraction (TiC+TiB2)/Al composites and their roles in enhancing properties”发表在复合材料领Top期刊《Composites Part B: Engineering》上。
【图文解析】
通过在Al-Ti-C及Al-Ti-B4C反应体系一步合成及热压法制备了陶瓷含量为50~60 vol.% 的TiC/Al、(TiC+TiB2)/Al复合材料。如图1所示提高陶瓷颗粒的含量进一步降低了复合材料中的孔隙及颗粒团聚等缺陷，相比于TiC/Al，(TiC+TiB2)/Al复合材料致密度更高。
图1. (a-b) TiC/Al复合材料及(c-d) (TiC+TiB2)/Al复合材料
进一步观察陶瓷和铝基体表面发现，TiC/Al、TiB2/Al界面结合良好，如图2所示。通过边对边匹配模型计算发现，TiC、TiB2均与Al之间有良好晶格匹配。(TiC+TiB2)/Al复合材料中界面形成主要来源于以下反应序列：Al(s) + Ti(s) + B4C(s) → Al(l) + B4C(s) + TiAl3(l)→Al(l) + TiC(s) + TiB2(s)。如图3所示。
图2 TiC/Al复合材料中TiC/Al界面和(TiC+TiB2)/Al复合材料中TiC/Al、TiB2/Al的界面的TEM明场像及HRTEM分析；
图3 Al-Ti-C、Al-Ti-B4C体系反应过程示意
通过检测复合材料的压缩性能发现，60 vol.% (TiC+TiB2)/Al复合材料其屈服强度、极限压缩强度和塑性应变和总应变分别为1050 MPa、1295 MPa、2.87%和6.01%，分别比60 vol% TiC/Al复合材料的相应性能高出约70.5%、60.7%、69.8%和56.5%。在施加15 N载荷时，该复合材料的磨损率为4.1×10−10 m3 m−1，其耐磨性是60 vol.% TiC/Al复合材料的1.7倍。与60 vol.% TiC/Al复合材料相比，该复合材料在373 K时具有更低的热膨胀系数（13.6×10−6 K−1）。复合材料压缩性能、耐磨性的提高来源于更优异的颗粒与基体之间的界面结合以及更高的界面粘着功。如图4所示，在变形过程中裂纹扩展的路径延长和能量耗散增加，有利于复合材料获得更好的机械性能。
图4(TiC+TiB2)/Al复合材料裂纹偏转机制和耐磨性提高机制
主要结论
本研究提出了一种通过调控陶瓷/金属界面以获得优异强塑性的高体积分数陶瓷-金属复合材料的新策略。仅通过一步合成及热压法，在Al-Ti-B4C反应体系合成制备了陶瓷含量为50%~60% 的(TiC+TiB2)/Al复合材料。相比于单相的TiC/Al复合材料，60 vol.%(TiC+TiB2)/Al复合材料中宏观孔隙等缺陷被进一步消除，其屈服强度、极限压缩强度和塑性应变分别提高了70.5%、60.7%和69.8%。同时耐磨性提高，热膨胀系数更低。(TiC+TiB2)/Al复合材料中TiC+TiB2陶瓷颗粒尺寸更为细小且分布更均匀，陶瓷/铝基体匹配良好、粘着功高，因此(TiC+TiB2)/Al复合材料中的界面结合强度相比于TiC/Al复合材料更高。高陶瓷体积分数的(TiC+TiB2)/Al复合材料中陶瓷颗粒与基体之间的强界面不仅能有效地传递载荷，而且当裂纹前沿遇到陶瓷颗粒时，会触发裂纹偏转，增加裂纹扩展的能量耗散。同时，陶瓷颗粒可以更有效地支撑载荷并约束复合材料的塑性变形，因此团队设计制备的高陶瓷体积分数的(TiC+TiB2)/Al复合材料具有优异的力学性能。这项工作为高体积分数陶瓷金属复合材料界面的设计与控制提供了新的思路。
【作者团队介绍】
邱丰
通讯作者简介：邱丰，教授，吉林大学唐敖庆学者（领军A岗），教育部重大人才工程青年学者，吉林大学"高性能合金及复合材料创新团队"负责人。主要从事纳米介质、高性能结构材料微观组织和性能的协同调控；纳米调控金属激光焊及增材制造；合金组织控制及强韧化等制备科学与加工技术领域的教学和科研工作。承担国家自然基金（4项）、国家重点研发计划等省部级课题20余项。在Composites Part B: Engineering等材料与冶金领域期刊以第一作者和通讯作者发表SCI检索论文150余篇（ESI高被引5篇），SCI他引4000余次，H影响因子43，2020-2023年连续四年入选美国斯坦福大学和艾斯维尔联合发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”。授权及公开发明专利50余项，第一发明人已授权发明专利32项，授权国际发明专利2项，技术转化及应用10 余项。获吉林省科学技术奖一等奖，江苏省双创人才，长春市创新创业大赛一等奖。
第一作者简介：杨宏宇，吉林大学研究员/博士生导师，主要研究方向为纳米颗粒高效强韧化合金及成型技术。第一或通讯作者在领域内重要期刊Compos. Part B-Eng.、Carbon、Int. J. Extrem. Manuf.、Compos. Part A-Appl. S.等发表SCI学术论文60余篇，其中包含ESI高被引论文4篇，影响因子大于10的论文7篇，SCI应用2200余次，H-影响因子=27；主持国家自然科学基金2项（面上、青年）和吉林省重点研发等省部级项目7项；授权发明专利17项，转化及应用11项；担任中国材料研究学会凝固科学与技术分会理事，担任International Journal of Extreme Manufacturing、特种铸造及有色合金青年编委和中国铸造装备与技术编委，在中国材料大会、第十二届亚澳复合材料大会、全国镁合金青年学术会议等重要学术会议作邀请报告10次。
编辑/排版：江姗
校对：刘晨辉
审核：张正贺
来源：特铸杂志