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Breaking the strength ductility trade off for metal matrix composites: A review of the role of nanoscale reinforcement dimension on the deformation and strengthening mechanisms

打破金屬基復(fù)合材料的強度-延展性權(quán)衡：納米尺度增強尺寸對變形和強化機制的作用綜述

作者信息：

Yuhang Xia ^a b, Xiang Zhang ^a b, Dongdong Zhao ^a b, Xudong Rong ^a b, Chunnian He ^a b c d, 

Naiqin Zhao ^{a b c d *}

a School of Materials Science and Engineering, Tianjin Key Laboratory of Composite and 

Functional Materials, Tianjin University, Tianjin, 300072, China

b State Key Laboratory of Precious Metal Functional Materials, Tianjin University, Tianjin, 

300072, China

c Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology (Ministry of Education), 

Tianjin University, Tianjin, 300072, China

d Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin), Tianjin, 300072, 

China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100019

文章介紹：

技術(shù)和工業(yè)過程的快速發(fā)展為材料科學(xué)領(lǐng)域，尤其是金屬材料，帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，特別是在其優(yōu)異的機械、熱、電、電子化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)性能方面。金屬基復(fù)合材料（MMCs）由于增強材料選擇和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性，已成為克服傳統(tǒng)金屬及其合金固有性能局限性的理想選擇。近年來，零維（0D）納米顆粒、 一維（1D）納米管/納米纖維、二維（2D）納米片/納米薄片和三維（3D）連續(xù)網(wǎng)絡(luò)等增強材料的MMC展現(xiàn)了強度和硬度的巨大提升。然而，納米級增強材料的加入常常對其他性能，如延展性和電/熱導(dǎo)率，產(chǎn)生不可預(yù)測的影響。由于增強材料和基體本身固有性能差異巨大，如何實現(xiàn)納米增強材料的合理分散成為一大挑戰(zhàn)，可能導(dǎo)致聚集問題，從而降低延展性或斷裂韌性。此外，界面潤濕性不足會導(dǎo)致增強材料和基體之間的相互作用弱或負(fù)載傳遞差，從而進一步復(fù)雜化性能提升。這些問題共同導(dǎo)致了強度與延展性之間的權(quán)衡，以及復(fù)合材料物理性能的降解。此外，MMC中的異質(zhì)界面引入了額外的不確定性，影響其塑性變形過程。大量研究表明，增強材料的尺寸特征和界面結(jié)構(gòu)對位錯、微裂紋、應(yīng)變/應(yīng)力和斷裂行為有很大影響，導(dǎo)致準(zhǔn)確的理論預(yù)測困難。因此，MMC的精確加工和精細(xì)設(shè)計受到了嚴(yán)重限制。

近年來，研究者嘗試通過分散技術(shù)、界面改性和增強材料分布等方式實現(xiàn)MMC強度與延展性的協(xié)調(diào)組合。對于0D顆粒增強材料，自發(fā)聚集現(xiàn)象主要是由于強大的范德華力，特別是當(dāng)粒徑達到納米尺度或顆粒在基體中的含量超過特定閾值（約6體積％）時。為克服增強材料聚集問題，已提出諸如納米顆粒自穩(wěn)定化、液體中預(yù)攪拌粉末和分子級混合等策略。由于1D纖維或須狀物的高長徑比，增強材料與金屬基體之間通常存在較大的潤濕角，導(dǎo)致界面粘結(jié)差，在負(fù)載下出現(xiàn)過早失效。因此，在MMC中構(gòu)建半共格/共格界面成為有效增強復(fù)合材料強度和塑性的策略之一，通過增強增強材料和金屬基體之間的粘結(jié)強度。此外，在金屬基體中設(shè)計對齊或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的2D納米片或納米薄片已顯著推進高性能MMC的發(fā)展，強調(diào)了基體中配置設(shè)計的重要性。與實現(xiàn)金屬中不均勻分布的策略相反，最近的研究專注于增強材料的連續(xù)性，即通過焊接2D材料或原位生長方法構(gòu)建連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這已被證明能有效改善MMC的整體性能，并為理解強化和韌化機制開辟了新的途徑。

從上述討論中可以看出，不同維度的納米增強材料的強化和韌化策略通常是不同的。如今，得益于先進制備工藝的發(fā)展，納米材料的集成性能得到了極大增強，提供了更廣泛的增強材料選擇可能性，如1D碳/硼納米管或金屬納米線、2D石墨烯（GN）或MXene納米片及3D GN網(wǎng)絡(luò)。例如，1D孤立的TiB/Ti通過出色的異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）硬化效應(yīng)實現(xiàn)了卓越的強度和延展性協(xié)同增強，2D層狀GN/Cu復(fù)合材料通過在GN表面插入不同濃度的含氧官能團展現(xiàn)出獨特的位錯行為和裂紋擴展規(guī)律，3D網(wǎng)絡(luò)GN/Cu通過連續(xù)的GN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了強度、塑性、電子導(dǎo)電性和熱導(dǎo)率的平衡。為了充分利用這些納米增強材料的維度特征，有必要系統(tǒng)地研究和總結(jié)它們的強化和變形機制，以促進設(shè)計具有卓越綜合性能的MMC，涵蓋強度-延展性及其他功能性屬性。

目前，一些綜述已經(jīng)總結(jié)了不同維度納米材料增強的MMC的制備方法。然而，現(xiàn)有文獻并未充分闡明不同增強維度相關(guān)的設(shè)計原理和優(yōu)化條件，限制了MMC整體性能的準(zhǔn)確預(yù)測。此外，MMC的致密化和組件制造與塑性變形過程密切相關(guān)。為了在這些材料中實現(xiàn)強度和韌性的協(xié)同組合，必須理解納米增強材料和基體在微觀和宏觀尺度上的相互作用規(guī)律。本綜述將納米增強材料根據(jù)其不同的強化和韌化機制以及MMC中觀察到的變形行為，分為0D、1D、2D和3D四類，強調(diào)了在調(diào)節(jié)機械性能和理解其內(nèi)在機制時考慮增強維度的重要性。綜述的第二至第六部分獨立探討了當(dāng)前實驗和理論研究中四種不同維度增強材料的影響因素和內(nèi)在機制。最后，本綜述通過提供策略，旨在選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，以滿足使用需求并優(yōu)雅地優(yōu)化MMC的設(shè)計。

中文摘要：

金屬基復(fù)合材料（MMCs）通過各種維度的納米增強材料（從0D到3D）進行強化，因其卓越的機械和功能性能，在電子電路、航空航天和新能源汽車等多個領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。盡管應(yīng)用廣泛，但基體與納米增強材料之間固有的性能差異通常導(dǎo)致強度和塑性之間的權(quán)衡，及物理性能的降低。本文綜述了通過納米增強材料強化的MMC的研究現(xiàn)狀，探討了實現(xiàn)強度-延展性匹配或增強物理性能的精心設(shè)計方法，并分析了影響強化、韌化機制及變形行為的因素。