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隨著能源危機和環境問題的日益嚴峻，輕質結構材料的開發受到了關注，特別是在航空航天、汽車和軍事工業等領域。鋁基復合材料因其低密度、高比強度和良好的耐磨性而成為研究的熱點。然而這些復合材料通常面臨著強度和塑性之間的權衡問題，即在提高材料強度的同時往往會犧牲其塑性，這限制了它們的實際應用。為了解決這一問題，研究人員開始探索異質結構材料，如雙模態晶粒結構、梯度結構和調和結構等，這些結構通過利用不同微觀組分之間的協同強化和增韌機制，來提升材料的強度和塑性。

其中，雙模態晶粒結構因其在納米晶/超細晶粒（UFG）金屬材料或復合材料中有效改善塑性而受到特別關注。通過操縱微觀結構特征，如晶粒尺寸、UFG/粗晶粒（CG）體積比和UFG與CG域的空間分布，對于設計具有良好強度-塑性平衡的異質結構材料至關重要。

針對上述問題，由上海交通大學組成的研究團隊利用澤攸科技原位TEM測量系統進行了深入研究，他們通過精確控制雙模態域中的粗晶粒比例，間接地改變了其他異質結構參數，如粗晶粒帶寬和域空間分布。相關成果以“Optimizing heterostructure parameters towards enhanced toughening in micro/nano-reinforced bimodal-grained Al alloy composites”發表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108442

這篇論文的主要研究內容集中在通過優化鋁基復合材料中的異質結構參數，來增強其在微觀和納米尺度上的增韌和強化機制。研究團隊通過精確控制粗晶粒（CG）與超細晶粒（UFG）的重量比例，探索了不同的CG含量對復合材料力學性能的影響。研究發現，當CG與UFG的比例為20:80時，復合材料展現出了強度、塑性和韌性組合。

圖 通過電子背散射衍射獲得的典型EBSD圖像質量和反極圖，揭示了不同粗晶粒（CG）含量的復合材料的微觀結構

研究中，通過引入原位生成的氧化鎂納米顆粒（n-MgO）和外源性的碳納米管（CNTs），復合材料的內在增韌機制得到了增強。這些納米增強相不僅提升了UFG域的位錯存儲能力，還通過增加高密度的堆疊層錯（SFs）來進一步增強材料的內在韌性。此外，研究還發現，分散良好的CG域對裂紋的鈍化效應有顯著貢獻，而裂紋的分支、微裂紋的增殖和納米橋接的形成等外在增韌機制也在復合材料中起到了重要作用。

圖 多尺度的顯微技術揭示了復合材料內部的微觀結構特征

為了深入理解裂紋行為，研究者們采用了多尺度分析，包括透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）下的原位拉伸測試，以及透射Kikuchi衍射（TKD）技術。這些測試揭示了裂紋在不同尺度下的行為，包括裂紋在硬域中的起始、在納米尺度上的偏轉和分支，以及在UFG/CG域界面處的裂紋鈍化。

圖 通過TEM和HRTEM圖像以及GPA分析展示了UFG內MgO納米顆粒和CNT如何通過捕獲和交互位錯以及形成堆疊層錯來增強材料的內在韌性

此外，研究還利用了應變梯度模型來評估CG含量對復合材料微觀力學行為的影響。通過數學建模和模擬，研究者們能夠預測不同CG含量下材料的應力-應變響應，并分析了幾何必要位錯（GNDs）的分布和演化。綜上這項研究通過系統地優化復合材料的微觀結構，實現了在不犧牲塑性的同時提高材料的強度和韌性，為設計和制造具有優異綜合性能的鋁基復合材料提供了新的策略和理論基礎。

圖 通過原位拉伸試驗研究了B4C微粒周圍UFG區域中裂紋的行為