随着能源危机和环境问题的日益严峻，轻质结构材料的开发受到了关注，特别是在航空航天、汽车和军事工业等领域。铝基复合材料因其低密度、高比强度和良好的耐磨性而成为研究的热点。然而这些复合材料通常面临着强度和塑性之间的权衡问题，即在提高材料强度的同时往往会牺牲其塑性，这限制了它们的实际应用。为了解决这一问题，研究人员开始探索异质结构材料，如双模态晶粒结构、梯度结构和调和结构等，这些结构通过利用不同微观组分之间的协同强化和增韧机制，来提升材料的强度和塑性。

其中，双模态晶粒结构因其在纳米晶/超细晶粒（UFG）金属材料或复合材料中有效改善塑性而受到特别关注。通过操纵微观结构特征，如晶粒尺寸、UFG/粗晶粒（CG）体积比和UFG与CG域的空间分布，对于设计具有良好强度-塑性平衡的异质结构材料至关重要。

针对上述问题，由上海交通大学组成的研究团队利用泽攸科技原位TEM测量系统进行了深入研究，他们通过精确控制双模态域中的粗晶粒比例，间接地改变了其他异质结构参数，如粗晶粒带宽和域空间分布。相关成果以“Optimizing heterostructure parameters towards enhanced toughening in micro/nano-reinforced bimodal-grained Al alloy composites”发表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108442

这篇论文的主要研究内容集中在通过优化铝基复合材料中的异质结构参数，来增强其在微观和纳米尺度上的增韧和强化机制。研究团队通过精确控制粗晶粒（CG）与超细晶粒（UFG）的重量比例，探索了不同的CG含量对复合材料力学性能的影响。研究发现，当CG与UFG的比例为20:80时，复合材料展现出了强度、塑性和韧性组合。

图 通过电子背散射衍射获得的典型EBSD图像质量和反极图，揭示了不同粗晶粒（CG）含量的复合材料的微观结构

研究中，通过引入原位生成的氧化镁纳米颗粒（n-MgO）和外源性的碳纳米管（CNTs），复合材料的内在增韧机制得到了增强。这些纳米增强相不仅提升了UFG域的位错存储能力，还通过增加高密度的堆叠层错（SFs）来进一步增强材料的内在韧性。此外，研究还发现，分散良好的CG域对裂纹的钝化效应有显著贡献，而裂纹的分支、微裂纹的增殖和纳米桥接的形成等外在增韧机制也在复合材料中起到了重要作用。

图 多尺度的显微技术揭示了复合材料内部的微观结构特征

为了深入理解裂纹行为，研究者们采用了多尺度分析，包括透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）下的原位拉伸测试，以及透射Kikuchi衍射（TKD）技术。这些测试揭示了裂纹在不同尺度下的行为，包括裂纹在硬域中的起始、在纳米尺度上的偏转和分支，以及在UFG/CG域界面处的裂纹钝化。

图 通过TEM和HRTEM图像以及GPA分析展示了UFG内MgO纳米颗粒和CNT如何通过捕获和交互位错以及形成堆叠层错来增强材料的内在韧性

此外，研究还利用了应变梯度模型来评估CG含量对复合材料微观力学行为的影响。通过数学建模和模拟，研究者们能够预测不同CG含量下材料的应力-应变响应，并分析了几何必要位错（GNDs）的分布和演化。综上这项研究通过系统地优化复合材料的微观结构，实现了在不牺牲塑性的同时提高材料的强度和韧性，为设计和制造具有优异综合性能的铝基复合材料提供了新的策略和理论基础。

图 通过原位拉伸试验研究了B4C微粒周围UFG区域中裂纹的行为

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