研究阐释降温过程金属基复合材料中微观缺陷的演化机制

金属基复合材料以金属为基体，引入陶瓷颗粒、纤维等结合成新型材料，在航空、航天、军工、电子等领域得到越来越多的应用。由于金属和陶瓷之间存在较大的热膨胀系数差异（如铜和碳化硅的热膨胀系数之比约为4:1），当温度变化时，两者的热收缩不一致将导致热应力和微观缺陷的产生，对复合材料的物理和力学性能有重大影响。这是金属基复合材料中的基础问题，也是非常复杂的问题，长期以来受到国内外学者关注。

近期，省科学院新材料研究所联合湖南大学，以碳化硅颗粒增强铜金属基复合材料（Cu/SiCp）为研究对象，使用分子动力学方法模拟其降温处理过程。研究发现，降温过程金属基体中的位错密度演化经历了难以形核、快速生成和缓慢发展三个主要阶段。Cu基体中形成复杂的位错结构，其中Shockley不全位错占主要比例，其次是stair rod位错，且在颗粒周围的基体还形成多种不同尺寸的不完整层错四面体（Incomplete stacking fault tetrahedron，ISFT）。高度稳定的stair rod位错以及不完整层错四面体会阻碍金属基体塑性变形的进一步发展。研究还揭示了不完整层错四面体等微观缺陷的形成机制，并讨论了其形成原因以及对复合材料加工制备过程的可能指引。

图1 围绕增强体颗粒周围形成的位错网络

图2 围绕增强体颗粒周围形成的不完整层错四面体

基于此，还进一步分析了热残余应力和热诱导微观缺陷的存在对金属基复合材料力学行为的影响。经过降温处理的复合材料在力学性质上存在压缩/拉伸不对称性，残余缺陷在微观演化上也表现出压缩/拉伸不对称性。在拉伸和压缩过程的应力上升阶段，Shockley不全位错密度均增加，而stair rod位错的密度都减少。从微观角度看，stair rod位错分解为较高能量的Shockley不全位错，会对复合材料起到增强作用，为复合材料强化的微观机制提供一种可能的解释。

图3 拉伸和压缩加载下Shockley位错和stair rod位错密度的演化

相关研究成果发表于期刊 Journal of Materials Science & Technology（1区Top），以及Journal of Alloys and Compounds上，广东省科学院新材料研究所熊永南博士为论文第一作者，湖南大学胡望宇教授和广东省科学院新材料研究所郑开宏所长为共同通讯作者。研究工作得到了广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目（2021GDASYL-20210103102）等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.10.058

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.163664

供稿：复合材料研究中心

供图：复合材料研究中心