高强韧仿珍珠层结构(B4C+Gr)/Al复合材料的制备及断裂机制研究

Nacre achieves high strength and high toughness via the load bearing of bridges, and the effects of deflecting, bridging and blunting to the cracks by the nano-laminated structure. The easy generation and propagation of cracks in particle reinforced metal matrix composites (PRMMCs) usually lower the strength and toughness of the composites, dramatically. To solve difficulties in preparing nacre-like PRMMCs, in this proposal, we use the method of “chemical adsorption dispersion – pile rolling – accumulative roll bonding” to prepare nacre-like (B4C+Gr)/Al composites (Gr: graphene) with controllability in laminated scale and interface structure. By adjusting the structure parameters (reinforcement content, laminated scale, interface structure) and investigating coupling effects of bridge strengthening and toughening between the B4C and Gr, lamella toughening, fine grain strengthening and Gr reinforcing, the route is optimized for preparing biomimetic (B4C+Gr)/Al composites with high mechanical properties, and a new technological prototype of biomimetic composites is established in PRMMCs. Meanwhile, the three-point bending test in SEM and tensile test in TEM will be used to in-situ study the rules of crack generation and propagation under applied force field. These results will reveal the coupling response mechanism between the biomimetic architecture and properties, providing biomimetic PRMMCs with theoretical basis and practical approach.

贝壳珍珠层凭借其纳米叠层结构的桥联承载，以及对裂纹的偏转、桥接和钝化实现了高强高韧。针对颗粒增强金属基复合材料（PRMMCs）易产生裂纹并快速扩展大幅降低强韧性，而仿珍珠层PRMMCs制备困难的科学问题，本项目拟采用“化学吸附分散–叠合轧制–累积叠轧”的方法，制备叠层尺度和界面结构可控的仿珍珠层结构(B4C+Gr)/Al复合材料(Gr:石墨烯)。通过结构参量（增强体含量、叠层尺度、界面结构）的定向调控，研究B4C与Gr桥联强韧化、叠层韧化、基体细晶强化、Gr承载等机制的协调耦合效应，优化出高强韧仿生(B4C+Gr)/Al复合材料的制备方法，构筑PRMMCs仿生复合的新技术原型。同时，结合扫描电镜三点弯曲和透射电镜拉伸技术，从不同的尺度原位研究力场作用下复合材料裂纹萌生与扩展的规律，揭示构型与性能之间的耦合响应机理，为高性能PRMMCs的仿生复合化提供理论依据和实用途径。

颗粒增强金属基复合材料（PRMMCs）以其高比强度、比模量和多功能的特点，在国家安全和国民经济中具有不可替代的重要作用。然而，由于陶瓷增强体与金属基体热膨胀系数和模量的不同，陶瓷增强体在强化基体的同时不可避免地引起基体局部硬化和应力集中，使传统PRMMCs在受力或变形过程中极易产生裂纹并在硬化的基体中快速扩展、大幅降低强韧性，难以满足当今社会和科技发展对PRMMCs日益增长的高性能要求。因此，发展新的复合制备理念和技术模型来制备高强韧兼具功能特性的PRMMCs具有重要的理论价值和现实意义。本项目提出了基于累积叠轧的“叠层尺度和界面结构可控”的仿珍珠层PRMMCs新型制备技术，以B4C、氧化石墨烯（GrO）和Al为原材料，构筑了仿珍珠层纳米叠层结构的(B4C+Gr)/Al复合材料，揭示了仿珍珠层结构(B4C+Gr)/Al复合材料的断裂机制和强韧化机理。.本项目执行期间，在领域国际权威刊物上发表SCI论文10篇，其中影响因子大于2.0的SCI论文10篇；申请国际PCT专利1件、国家发明专利12件，授权国家发明专利5件；受邀参加了中国有色金属学会2018青年科技论坛，2018/2019年中国材料大会，中国国际复合材料大会和IFAM2020新材料国际发展趋势高层论坛并作学术报告；项目负责人获江苏省“六大人才高峰”高层次人才资助；培养博士研究生1名，硕士研究生4名。项目研究成果可在轻质结构材料、中子吸收材料、高导热低膨胀材料的设计制备领域得到应用，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。