《Nature Communications》：?“鋼筋混凝土式鋁基復合材料”大幅度提高其高溫強度

傳統方法制備的輕質工程材料在高溫環境下的性能已接近極限：例如，高強度鋁合金和鋁基復合材料（AMC）通常僅能在最高150°C環境下穩定工作，而粉末冶金制備的鋁合金使用溫度上限也僅為300°C。大多數商用鋁合金及AMC在溫度超過300°C時，會因動態回復和再結晶而顯著軟化，特別是在200–450°C溫區內。以7xxx和2xxx系列鋁合金為例，其屈服強度從室溫下的約600 MPa驟降至340°C時不足120 MPa。因此，開發一種能在350°C以上仍保持200 MPa以上屈服強度、且比強度與鈦合金相當的鋁基復合材料，一直是該領域的重要目標。

受鋼筋混凝土結構啟發，多倫多大學材料系極端力學和增材制造課題組創新提出并成功制備出一種新型“鋼筋混凝土式鋁基復合材料”（Reinforced Concrete Aluminum Matrix Composites, RC-AMCs）。通過融合結構設計、增材制造、微鑄造與熱處理等多項技術，RC-AMCs兼具顆粒增強型與層狀復合材料的雙重優勢：既具備顆粒增強帶來的顯著強化效果，又能在高體積分數增強相條件下維持低孔隙率。該類材料內部含有高體積分數的耐熱顆粒增強相，可有效抑制材料在高達500°C高溫下的強度退化。經結構優化后，RC-AMCs在400°C下實現了抗壓屈服強度最高達938 MPa，比強度最高達235 kN?m/kg，是目前所有鋁基合金與復合材料中已知最優性能之一。多尺度計算分析進一步揭示，RC-AMCs優異的高溫抗軟化性能與Al?Ti中異常熱孿晶行為密切相關。

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https://www.nature.com/articles/s41467-025-65234-9

研究團隊將土木工程中成熟的鋼筋混凝土理念引入鋁基復合材料設計中，證明RC-AMCs在室溫至400°C的寬溫域內均具備極高的比屈服強度，成功突破了輕質材料在強度與密度之間的傳統權衡限制。相較于已報道的互穿相復合材料，RC-AMCs憑借其高體積分數耐熱增強相與可控微觀結構單元，展現出顯著強化效果與優異的高溫性能穩定性。該設計策略還表明，通過調控支架的形狀、結構、體積分數及材料種類，可靈活調節RC-AMCs的力學響應。團隊首次提出針對此類材料結構的完整力學模型—單胞投影模型和層合模型，實現“如建造房屋般”在特定位置與方向進行定量增強。融合增材制造與微鑄造的制備工藝，使得構建傳統方法難以實現的復雜幾何結構與精細特征成為可能，為面向特定工程需求的定制化結構材料開發提供了全新設計路徑，在航空航天、汽車工業及高端裝備等領域具有廣闊應用前景。

圖1：受鋼筋混凝土啟發的耐高溫鋁基復合材料（RC-AMC）微觀結構圖。a.多尺度強化RC-AMC微觀結構示意圖。b. RC-AMC制備過程示意圖。c.亞毫米尺度下的微觀結構和成分。d. 嵌入鋁基體中的微米級 Al?Ti 顆粒。e.嵌入鋁基體中的納米級 AlSi?Ti?和球形硅化物。

圖2：RC-AMCs在不同溫度下的壓縮性能。a.三個方向加載下的工程壓縮應力–應變曲線。b. RC-AMC屈服強度隨增強相含量的變化，并與其他鑄造AMC和Al-Si合金進行比較。c. RC-AMC在高溫下的典型工程應力–應變曲線。d. 不同測試溫度下RC-AMC與其他AMC的屈服強度。e. AlSi7Mg 在高溫下的壓縮應力–應變曲線。f. Ti6Al4V 在高溫下的壓縮應力–應變曲線。g. 基于混合定律（ROM）計算的RC-AMC屈服強度與實驗值的比較。

圖3：RC-AMCs室溫變形顯微組織。a-c. CT掃描顯示沿三個方向壓縮后的典型斷裂形貌。典型 SEM 變形特征圖：d. Ti骨架節點處的 45° 剪切；e. Al?Ti顆粒中的微裂紋以及AlSi7Mg–Al?Ti界面處的脫粘；f. Si納米析出相在 AlSi7Mg 中對位錯的釘扎作用。TEM圖像顯示：g. Ti6Al4V中的平面滑移；h-i. Al?Ti 相中納米級孿晶。

圖4：RC-AMCs高溫變形特征與顯微組織。a-c. 不同溫度下Ti6Al4V骨架附近 Al?Ti 顆粒內部或顆粒間的裂紋，測試溫度分別為 (a) 200°C、(b) 300°C 和 (c) 400°C。樣品在400°C壓縮后的典型微觀結構：d. AlSi7Mg 中的位錯網絡；e. Ti6Al4V中三重滑移系開動；f. Al?Ti 顆粒中大量的機械孿晶。分子動力學（MD）模擬統計結果：g. 位錯密度；h. 孿晶分數。

圖5：RC-AMC變形機制多尺度模擬。a. Ti6Al4V骨架增強復合材料的宏觀有限元法模擬。b. AlSi7Mg–Al?Ti 復合材料的微觀有限元法模擬，顯示 Al?Ti 顆粒中等效塑性應變。c. 三層多晶模型（Ti–Al?Ti–Al）在 9% 壓縮應變下的分子動力學模擬，展示各層內部的位錯滑移和孿生行為。

圖6：Al?Ti異常熱孿晶行為及其孿晶形成機制。a,b. 準原位觀察顯示 400°C 下機械孿晶的形成：a. SEM 圖像顯示機械壓入誘發孿生；b. EBSD 分析確認Al?Ti中存在孿晶。c,d. 室溫 (c) 和 400°C (d)機械壓入后有孿晶和無孿晶晶粒的晶體取向分布。e,f. 分子動力學模擬室溫壓縮下由 Shockley不全位錯（SPDs）引起本征堆垛層錯，正面 (e) 和頂部 (f) 視角觀察。g. 室溫壓縮過程中， SPDs在連續密排面上的逐層運動形成變形孿晶。h. D0?? 晶體結構示意圖，其沿密排面間距大于 L1? 結構（左）。這一結構特征有助于極誘導孿晶機制（中），通過 SPDs 運動降低形成孿晶部分所需的臨界剪切應力（右）。

圖7：RC-AMC的預測、優化及發展，規避高強度–輕量化的權衡困境。a. 單元胞投影（UCP）模型預測的應力–應變關系。b. 單層復合（ULC）模型預測的屈服強度與抗拉強度。c. RC-AMC 中 Ti6Al4V 骨架的結構優化或調整，以實現不同強度與延性組合。d. RC-AMC 變體示例。e. 不同 RC-AMC 衍生結構在 400°C 下的壓縮應力–應變曲線。f. RC-AMC 在高溫下的強度–密度關系，并與其他工程合金進行比較。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。