导读：本文报告了一种液固反应方法，该方法结合了择优颗粒取向来制造具有超高杨氏模量（105 GPa）、高拉伸强度（495 MPa）和一定延展性（6.2%）的异质结构Al3BC/6061复合材料。Al3BC纳米片晶的择优取向有助于超高的刚度，并且Al基体的异质晶粒结构有助于异质形变诱导应力的产生和额外的应变硬化，从而产生高强度和良好的延展性。这些结果为改善金属基复合材料的机械性能带来了巨大的潜力。
具有高强度，延展性和高刚性的轻质铝合金在汽车，航空航天和生物医学领域的应用越来越吸引人，以用来提高能源效率并减少排放。令人遗憾的是，在铝及其合金中很难获得这样的特性曲线，因为这些特性通常是相互排斥的。特别是铝的低杨氏模量（刚度）（70 GPa）尤其难以改善。通常，可以设想用高模量陶瓷颗粒（例如，碳化物，硼化物和氮化物）增强的铝基复合材料（AMCs）同时提高其强度和刚度，但这不可避免地导致延展性降低。这种现象源于增强颗粒（硬质）和铝基体（软质）之间的塑性变形不兼容，以及在界面处产生必要的几何位错（GNDs）和应变梯度。例如，具有高体积分数（约25 wt％）的Al3BC颗粒的6061 Al基复合材料显示出约485 MPa的极限抗拉强度，但在颗粒/Al界面处出现了严重的应力集中，并明显降低延展性（小于2％）。另一方面，AMCs刚度的提高总是受到颗粒的随机取向和由于严重团聚引起的体积分数约束的限制。
近年来，异质结构材料因其卓越的机械性能而受到广泛关注，其微观结构范围从纳米到微米，这主要归因于几何必须位错（GND）的数量聚集而引起的异质变形（HDI）增强。例如，将软微晶Ti薄片嵌入硬质超细Ti薄片基质中，可以显着提高应变硬化率并因此具有较高的延展性。受此概念的启发，作者先前的工作首先证明，与传统的均质颗粒增强型AMCs相比，基体中包含双峰晶粒结构的异质结构Al-（TiC + TiB2）复合材料具有良好的强度和延展性组合。然而，由于颗粒的随机分布，进一步提高其刚度仍然是一个挑战。
在这里，南京理工大学联合山东大学、香港城市大学报道了一种异质结构的Al3BCp/6061复合材料，具有超高的刚度（可与钛合金相比），极高的抗张强度和良好的延展性，其组合优于几乎所有已报道的AMCs。该新策略主要依靠异质结构化的Al基体与各向异性纳米片的择优分布相结合，利用这种方式获得一种优越的性能。相关研究结果以题“Stiff, strong and ductile heterostructured aluminum composites reinforced with oriented nanoplatelets”发表在国际顶刊Scripta materialia上
论文链接:https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.08.017
测得EXT试样的屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS)分别为~328 MPa和~447 MPa，相应的均匀延伸率(UE)为~4.5%。从不同应变条件下复合材料的拉伸工程应力-应变曲线(图2a)可以看出，HR80和HR90试样的YS、UTS和UE随着应变的增大而同时增大。还可以注意到，拉伸试验确定的弹性模量(E)从EXT试样的72.9 GPa增加到HR90试样的105 GPa。据我们所知，在铝基复合材料中还未见过如此优越的强度-韧性-刚度组合。
图1. Al3BC/6061复合材料的微观结构（RD-ND平面），显示了Al3BC的分布和取向：（a）EXT，a所示为Al3BC的形态；（b）HR80；（c）HR90；（d）HR95；（e）Al3BC的HRTEM图像；（f）Al-Al3BC界面的典型晶格条纹图像。插图是（f）中标记的红色和黄色矩形的傅里叶滤波HRTEM图像，显示了Al矩阵和Al3BC的晶格条纹；（e）的插图示出（f）的对应的快速傅立叶变换（FFT），其指示Al3BC和α-Al的晶体取向关系。
综上所述，我们在自主设计的Al3BC/6061基复合材料中成功地获得了优异的刚度-强度-延展性。各向异性的Al3BC纳米片的取向产生高的刚度，并且铝基体的异质晶粒结构引起附加的HDI硬化并变形，从而导致高应变硬化率。通常，结合传统挤压或轧制的液-固反应方法可以容易地规模化用于工业生产。现在，我们专注于将此处演示的概念扩展到其他轻质金属组合.
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