廣東省科學院：揭示納米Ti/AZ31復合材料的界面結合與增強機制！
2024-08-29 14:22:21
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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鎂基復合材料是一種以鎂或鎂合金為基體，通過添加一種或多種增強相（如陶瓷顆粒、金屬顆粒、碳或碳化物等）制成的輕質高強材料。這種材料不僅具有高比強度和高比剛度，還有優異的阻尼減震、電磁屏蔽和儲氫析氫等性能。
力學性能：通過添加增強相（如陶瓷顆粒、金屬顆?；蛱技{米管）可顯著提升材料的力學性能。例如，SiC納米顆粒增強的鎂復合材料屈服強度、楊氏模量和伸長率分別可達到710 MPa、86 GPa和50%。這些性能的提升主要歸功于增強相與基體之間的牢固結合以及增強材料的均勻分散。
物理性能：鎂合金具有良好的阻尼特性，而鎂基復合材料可以通過增強相的加入進一步提升這一性能。這種材料在減震和吸能方面表現出色，適用于需要高阻尼性能的機械部件。同時鎂基復合材料還顯示出優異的電磁屏蔽能力，這使其在電子設備外殼等應用中具有優勢。
化學性能：鎂基復合材料在某些介質中表現出良好的耐蝕性。然而，由于鎂本身的化學性質活潑，其耐腐蝕性在特定環境下仍需要改進。
鎂基復合材料以其低密度、高強度、優異的抗磁性和多功能性等特點，備受眾多工業領域的關注，是未來工程材料領域的重要創新方向。但其界面演化過程是一個復雜的物理和化學變化過程，涉及多個因素和步驟，這些因素共同決定了材料的力學性能、耐磨性和抗疲勞性能等。然而，如何建立鎂基復合材料界面演化與宏觀性能的關系仍是一項巨大挑戰。
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廣東省科學院新材料研究所潘復生院士團隊采用多級分散的粉末冶金工藝成功設計并制備了納米Ti顆粒增強AZ31鎂基復合材料。研究結果表明，納米Ti顆粒的引入同時提升了鎂基復合材料的強塑性。同時，納米Ti顆粒的添加顯著調控了晶粒尺寸和晶粒取向，與AZ31 基體在界面處形成多相交織的穩定界面。通過實驗計算得到了多級界面的結合能和斷裂韌性，為復合材料性能改善的原因提供了證明。這項研究成功揭示了納米Ti/AZ31復合材料的界面結合與增強機制，通過優化界面結合能和斷裂韌性，為提高材料性能提供了新思路。該研究為開發更高性能的復合材料打下了基礎，有望在材料領域帶來更多創新和進展。
該研究得到了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目（2020B0301030006）；廣東省科學院建設國內一流研究機構行動專項資金項目（2020GDASYL-20200101001）的資助，相關研究成果近日發表于Journal of Materials Research and Technology（中科院SCI材料科學大類1區Top期刊）。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542400975X
在這項研究中，研究團隊通過粉末冶金法成功制備了納米Ti/AZ31復合材料，復合材料的強度和塑性較基底材料都得到了顯著提高。SEM顯示Ti顆粒均勻分布在燒結復合材料的晶界上，Ti顆粒釘住晶界從而使顯著細化復合材料的晶粒。EBSD表明添加納米Ti顆?？梢燥@著降低復合材料的織構強度，增加了滑移系的起始概率。TEM顯示納米Ti和AZ31基體在界面處形成了穩定的Al3Ti和MgO相，并顯示出很強的相干關系。納米壓痕試驗表明復合材料的Ti/AZ31界面穩定，界面結合能和界面斷裂韌性呈梯度分布，界面結合區域的結合能和斷裂韌性優于基體。拉伸試驗表明，1.5wt%Ti/AZ31復合材料獲得了最佳的綜合力學性能，屈服強度、極限拉伸強度和伸長率分別為143MPa、243MPa和11.5%，明顯高于AZ31合金。強度的增加主要是由于晶界處的晶粒細化和強化；延展性的提高是由于織構減弱、滑移系增加、Ti顆粒與AZ31基體之間的強界面結合的結果。 圖4：燒結Ti/AZ31復合材料OM 圖像: (a) 0 wt%Ti, (b) 0.5 wt%Ti, (c) 1 wt%Ti, (d)1.5 wt%Ti.圖5：燒結Ti/AZ31復合材料SEM圖像: (a) 0 wt%Ti, (b) 0.5 wt%Ti, (c) 1 wt%Ti, (d)1.5 wt%Ti圖6 1.5 wt%Ti/AZ31復合材料的面掃描圖：（a）HAADF圖像，（b）區域1/（c）區域2/（d）區域3的相應線掃描圖圖7：1.5 wt%Ti/AZ31復合材料的Ti/AZ31界面結構：(a) TEM 圖， (b) Ti樣品在 FFT模式下的Ti 界面，(c) MgO樣品在 FFT下的MgO界面，(d) Al3Ti樣品在 FFT下的Al3Ti界面， (e) TiMn2樣品在FFT下的TiMn2界面
圖8：1.5 wt%Ti/AZ31復合材料的Ti/AZ31界面：(a) Al3Ti/Ti界面的TEM圖， (b) Al3Ti/MgO界面的TEM圖，(c) Al3Ti/Mg界面的TEM圖，(d) Al3Ti/TiMn2界面的TEM圖
圖9：從ED-TD面觀察， 燒結Ti/AZ31復合材料的EBSD反極圖和極圖：(a) 0 wt%Ti，(b) 0.5 wt%Ti， (c) 1 wt%Ti，(d)1.5 wt%Ti。圖10：TD方向載荷的施密特因子圖：（a）基底滑動，（b）棱柱滑動，（c）金字塔滑動-I<a+c>，（d）金字塔滑動-II<a+c>.
圖11：(a) 1.5 wt%Ti/AZ31復合材料的納米壓痕網格示意圖， (b) 1.5 wt%Ti/AZ31復合材料的納米壓痕載荷深度曲線
圖12：(a) 1.5 wt%Ti/AZ31復合材料的界面斷裂能統計圖，(b) 1.5 wt%Ti/AZ31復合材料的界面斷裂韌性圖13：燒結Ti/AZ31復合材料的工程應力-應變曲線
圖14：Ti/AZ31復合材料的斷裂界面：(a) 0 wt%Ti，(b) 0.5 wt%Ti， (c) 1 wt%Ti， (d)1.5 wt%Ti.在這項研究中，納米Ti顆粒的引入顯著提升了鎂基復合材料的強塑性。這些納米顆粒通過調控晶粒尺寸和晶粒取向在AZ31基體中形成多相交織的穩定界面。這種界面結構不僅增強了材料的強度，還提高了其塑性。同時研究團隊還詳細分析了復合材料的強化機理和界面微觀結構的演變行為。此外，研究團隊還通過納米壓痕法測量了微觀結構的界面結合強度。主要結論可以總結如下。（1） 納米Ti顆粒的引入對細化晶粒和釘扎晶界起到了顯著作用，且明顯減小了復合材料的晶粒尺寸。（2）與基體相比，1.5wt%Ti/AZ31復合材料的YS和UTS分別提高了202%和52%。強度提高的主要原因是晶粒細化和晶界強化。（3） Ti和Al3Ti之間、Al3Ti和Mg之間形成了穩定的相連界面，這反映了納米Ti顆粒與基體之間優異的界面結合。（4） Ti/AZ31復合材料塑性變高是因為：織構的弱化、滑移系起始滑移率的增加、優異的界面結合。（5） 納米Ti和Ti/AZ31結合界面的斷裂性能和斷裂韌性優于AZ31基體，這為納米Ti顆粒的強化效果提供了強有力的證據，同時也為設計和制備性能優異的復合材料提供了新的思路和參考。
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