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Breaking the strength ductility trade off for metal matrix composites: A review of the role of nanoscale reinforcement dimension on the deformation and strengthening mechanisms

打破金屬基復合材料的強度-延展性權衡：納米尺度增強尺寸對變形和強化機制的作用綜述

作者信息：

Yuhang Xia ^a b, Xiang Zhang ^a b, Dongdong Zhao ^a b, Xudong Rong ^a b, Chunnian He ^a b c d, 

Naiqin Zhao ^{a b c d *}

a School of Materials Science and Engineering, Tianjin Key Laboratory of Composite and 

Functional Materials, Tianjin University, Tianjin, 300072, China

b State Key Laboratory of Precious Metal Functional Materials, Tianjin University, Tianjin, 

300072, China

c Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology (Ministry of Education), 

Tianjin University, Tianjin, 300072, China

d Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin), Tianjin, 300072, 

China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100019

文章介紹：

技術和工業過程的快速發展為材料科學領域，尤其是金屬材料，帶來了新的機遇和挑戰，特別是在其優異的機械、熱、電、電子化學和生物醫學性能方面。金屬基復合材料（MMCs）由于增強材料選擇和微觀結構設計的靈活性，已成為克服傳統金屬及其合金固有性能局限性的理想選擇。近年來，零維（0D）納米顆粒、 一維（1D）納米管/納米纖維、二維（2D）納米片/納米薄片和三維（3D）連續網絡等增強材料的MMC展現了強度和硬度的巨大提升。然而，納米級增強材料的加入常常對其他性能，如延展性和電/熱導率，產生不可預測的影響。由于增強材料和基體本身固有性能差異巨大，如何實現納米增強材料的合理分散成為一大挑戰，可能導致聚集問題，從而降低延展性或斷裂韌性。此外，界面潤濕性不足會導致增強材料和基體之間的相互作用弱或負載傳遞差，從而進一步復雜化性能提升。這些問題共同導致了強度與延展性之間的權衡，以及復合材料物理性能的降解。此外，MMC中的異質界面引入了額外的不確定性，影響其塑性變形過程。大量研究表明，增強材料的尺寸特征和界面結構對位錯、微裂紋、應變/應力和斷裂行為有很大影響，導致準確的理論預測困難。因此，MMC的精確加工和精細設計受到了嚴重限制。

近年來，研究者嘗試通過分散技術、界面改性和增強材料分布等方式實現MMC強度與延展性的協調組合。對于0D顆粒增強材料，自發聚集現象主要是由于強大的范德華力，特別是當粒徑達到納米尺度或顆粒在基體中的含量超過特定閾值（約6體積％）時。為克服增強材料聚集問題，已提出諸如納米顆粒自穩定化、液體中預攪拌粉末和分子級混合等策略。由于1D纖維或須狀物的高長徑比，增強材料與金屬基體之間通常存在較大的潤濕角，導致界面粘結差，在負載下出現過早失效。因此，在MMC中構建半共格/共格界面成為有效增強復合材料強度和塑性的策略之一，通過增強增強材料和金屬基體之間的粘結強度。此外，在金屬基體中設計對齊或層狀結構的2D納米片或納米薄片已顯著推進高性能MMC的發展，強調了基體中配置設計的重要性。與實現金屬中不均勻分布的策略相反，最近的研究專注于增強材料的連續性，即通過焊接2D材料或原位生長方法構建連續網絡結構。這已被證明能有效改善MMC的整體性能，并為理解強化和韌化機制開辟了新的途徑。

從上述討論中可以看出，不同維度的納米增強材料的強化和韌化策略通常是不同的。如今，得益于先進制備工藝的發展，納米材料的集成性能得到了極大增強，提供了更廣泛的增強材料選擇可能性，如1D碳/硼納米管或金屬納米線、2D石墨烯（GN）或MXene納米片及3D GN網絡。例如，1D孤立的TiB/Ti通過出色的異質變形誘導（HDI）硬化效應實現了卓越的強度和延展性協同增強，2D層狀GN/Cu復合材料通過在GN表面插入不同濃度的含氧官能團展現出獨特的位錯行為和裂紋擴展規律，3D網絡GN/Cu通過連續的GN網絡實現了強度、塑性、電子導電性和熱導率的平衡。為了充分利用這些納米增強材料的維度特征，有必要系統地研究和總結它們的強化和變形機制，以促進設計具有卓越綜合性能的MMC，涵蓋強度-延展性及其他功能性屬性。

目前，一些綜述已經總結了不同維度納米材料增強的MMC的制備方法。然而，現有文獻并未充分闡明不同增強維度相關的設計原理和優化條件，限制了MMC整體性能的準確預測。此外，MMC的致密化和組件制造與塑性變形過程密切相關。為了在這些材料中實現強度和韌性的協同組合，必須理解納米增強材料和基體在微觀和宏觀尺度上的相互作用規律。本綜述將納米增強材料根據其不同的強化和韌化機制以及MMC中觀察到的變形行為，分為0D、1D、2D和3D四類，強調了在調節機械性能和理解其內在機制時考慮增強維度的重要性。綜述的第二至第六部分獨立探討了當前實驗和理論研究中四種不同維度增強材料的影響因素和內在機制。最后，本綜述通過提供策略，旨在選擇適當的設計方案，優化結構性能，以滿足使用需求并優雅地優化MMC的設計。

中文摘要：

金屬基復合材料（MMCs）通過各種維度的納米增強材料（從0D到3D）進行強化，因其卓越的機械和功能性能，在電子電路、航空航天和新能源汽車等多個領域中具有重要應用。盡管應用廣泛，但基體與納米增強材料之間固有的性能差異通常導致強度和塑性之間的權衡，及物理性能的降低。本文綜述了通過納米增強材料強化的MMC的研究現狀，探討了實現強度-延展性匹配或增強物理性能的精心設計方法，并分析了影響強化、韌化機制及變形行為的因素。