张荻院士、郭强教授团队：相变陶瓷增韧高性能金属基复合材料

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近日，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室张荻院士、郭强教授团队联合新加坡南洋理工大学Gan Chee Lip教授团队，在高强韧金属基复合材料的研究方向取得重要突破，相关成果以“Realizing reversible phase transformation of shape memory ceramics constrained in aluminum”为题发表在Nature Communications上。研究团队在金属基复合材料中首次实现了形状记忆陶瓷的可逆相变，复合材料的强度和能量耗散密度比纯铝基体提高了一倍以上，实现了强韧性同步提高的关联重构，并展示了这类材料在相变增韧、阻尼减振等领域的广阔应用前景。2020级致远荣誉博士生郑王树为论文的第一作者，张荻院士、郭强教授和Gan Chee Lip教授为共同通讯作者，上海交通大学为论文第一完成单位。
       强度和韧性的“倒置关系”是长期以来制约金属基复合材料发展的瓶颈难题。在传统的金属基复合材料中，硬脆的陶瓷增强体的引入虽然能够提高复合材料的模量和强度，但将导致严重的应变局域化和应力集中，进而造成复合材料塑韧性的大幅降低。如何才能打破金属基复合材料强-韧性倒置关联的桎梏，鱼与熊掌兼得？其解决方法之一，就是采用同时兼具优异本征力学性能和可变形能力的新型增强体材料。形状记忆陶瓷（shape memory ceramics, SMCs）就是一类典型的可变形增强体，不仅具备良好的本征模量和强度，在温度场或力场作用下，还能够发生四方相<->单斜相的可逆马氏体相变，并由此产生约10%的晶格应变（Science 341, 1505-1508, 2013）。

图1 可逆相变陶瓷诱导高能耗金属基复合材料（CZ/Al）原理图。（a）高分辨率X射线显微成像（XRM）的三维结构。（b）复合材料的相组成，其中T和M分别代表四方（奥氏体）和单斜（马氏体）结构。（c）复合界面的高分辨透射电子显微镜（TEM）图像。（d）复合材料局部区域的微柱压缩前后形貌照片，以及TEM样品切片在压缩后（25℃）、200℃和400℃退火后的旋进电子衍射（PED）明场图像和对应的相组成图。压缩方向（从上到下）由箭头指示。（e）复合材料与纯铝压缩过程的真应力-真应变曲线。

         在此背景下，研究团队选用形状记忆陶瓷-纯铝复合材料[铈掺杂氧化锆(cerium-doped zirconia, CZ)/铝(Al)]作为模型材料，通过制备过程中的温度场-应力场耦合，获得了含有完全奥氏体化CZ增强体的复合材料。进而通过单轴压缩实验，在复合材料微柱中实现了超过60%的增强体发生马氏体相变。而在随后的400℃退火过程中，马氏体（单斜相）发生反马氏体相变，恢复到四方相结构。结合旋进电子衍射技术（precession electron diffraction, PED）和高分辨X射线显微成像(X-ray microscopy, XRM)分析，研究人员发现复合材料中形状记忆陶瓷颗粒发生可逆相变来源于铝基体对颗粒的有效束缚、良好的增强体/基体界面载荷传递效率、陶瓷颗粒与金属基体的协同变形能力，以及陶瓷颗粒在金属基体内的三维网状/力链构型对载荷传递的促进作用。
        该进展发现了在金属基复合材料中形状记忆陶瓷具备可逆相变能力，验证了采用相变陶瓷对于解决金属基复合材料“强-韧性倒置”这一瓶颈难题的可行性。从结构承载的角度，相比于传统不可变形的增强体，形状记忆陶瓷相变引起的晶格应变能够协调增强体-基体的变形，将外力做功迅速耗散到整个材料，避免应力集中。同时，通过陶瓷的相变，进一步耗散弹性应变能，在强化复合材料的同时实现相变增韧。在轻质金属基复合材料中实现陶瓷的可逆相变，将进一步拓宽这类材料在智能传感、驱动等领域的应用前景。
        本研究特别感谢南洋理工大学Zehui Du博士和上海交通大学金学军教授的讨论，以及上海交通大学刘煜博士、刘煜旸博士和彭亿飞博士提供的实验支持。本研究获得了国家自然科学基金重大项目 (52192595) 、国家重点研发计划（2022YFB3705704）等项目的资助。