仿生构型铝基复合材料中的界面效应

Compared with traditional metal matrix composites (MMCs) where the reinforcements are uniformly distributed in the matrix, bioinspired architectured MMCs possess multi-scaled, multi-level, and non-uniform structures, and subsequently a better combination of stiffness (strength) and ductility (toughness). However, the interfacial structures and properties of these composites become much more complicated, making it difficult to study and clarify the “interface-property” correlation. To meet this challenge, this project uses the graphene-Al model system and combines both macroscopic and micro-/nano-mechanical characterization tools, in order to reveal the role of interfaces in the deformation and damage of the composites. Moreover, efforts will also be dedicated to the study on the correlation between the structure and constituent phases of the interface, and its cohesive property, as a function of the intrinsic properties of the graphene reinforcement and the composition of the interface layer. This project will help establish the methodology used to quantitatively probe and evaluate the properties of the interface and its effects on the mechanical behavior of bioinspired architectured MMCs, and provide reliable data for improved modeling and design of those compsosites.

仿生构型金属基复合材料模仿了具有优异力学性能和功能特性的自然生物材料的多尺度微观复合结构，与增强体在基体内均匀分布的传统金属基复合材料相比，展现出良好的强度/刚度和塑性/韧性匹配。在这类材料中，增强体与基体的本征性质并未发生变化，但综合力学性能得到了明显的提升。研究表明，复合界面及界面微区的结构与特性起到了关键作用。然而，仿生构型金属基复合材料的复合界面和界面微区结构复杂、空间分布不均匀，极大地阻碍了对其性能响应机制的研究和阐释。针对此关键问题，本项目拟采用仿生砖砌构型石墨烯-Al复合材料为模型材料，将宏观材料表征技术与微纳力学研究手段结合起来，旨在揭示复合界面在材料变形与断裂过程中的作用机制，以及复合界面的构成与其性质之间的内在关联。本项目将建立仿生构型金属基复合材料界面性能响应的定量测试和评价方法，揭示“界面-性能”的耦合关系，为高性能仿生构型金属基复合材料的优化设计提供依据和准则。

仿生构型金属基复合材料模仿了具有优异力学性能和功能特性的自然生物材料的多尺度微观复合结构，与增强体在基体内均匀分布的传统金属基复合材料相比，展现出良好的强度/刚度和塑性/韧性匹配。在这类材料中，增强体与基体的本征性质并未发生变化，但综合力学性能得到了明显的提升。研究表明，复合界面及界面微区的结构与特性起到了关键作用。然而，仿生构型金属基复合材料的复合界面和界面微区结构复杂、空间分布不均匀，极大地阻碍了对其性能响应机制的研究和阐释。针对此关键问题，本项目采用仿生砖砌构型纳米碳-Al复合材料为模型材料，将宏观材料表征技术与微纳力学研究手段结合起来，研究了仿生砖砌构型铝基复合材料的尺寸效应，动态力学响应，断裂行为，界面结构与性能，及其对材料力学行为的影响规律。发现了：（1）当微纳尺度试样的外在尺寸比内在特征尺寸（这里指砖砌结构的“砖”厚度）大一个数量级时，微纳米柱的力学性能能够准确反映宏观块体材料的力学性能；（2）纳米碳-铝复合材料具有显著的热激活的塑性变形行为；（3）叠层取向、金属基体层厚、纳米碳增强体界面间距显著影响仿生砖砌构型纳米碳增强铝基复合材料的断裂行为；（4）仿生砖砌构型石墨烯-铝和碳纳米管-铝复合材料的界面强度分别大于130MPa和113MPa；（5）相比于铝/铝晶界，石墨烯/铝复合界面积累更多的位错，表明复合界面能够更有效阻碍位错运动，导致复合材料更高的强度和塑性变形能力。（6）石墨烯的本征结构显著影响仿生纳米叠层石墨烯-铝复合材料的界面结合特性，进而影响复合材料的力学行为。本项目揭示了复合界面在材料变形与断裂过程中的作用机制，以及复合界面的构成与其性质之间的内在关联。建立了仿生构型金属基复合材料界面性能响应的定量测试和评价方法，揭示了“界面-性能”的耦合关系，为高性能仿生构型金属基复合材料的优化设计提供了依据和准则。