以铝基复合材料为代表的金属基复合材料,具有高的比强度、比模量及优异的导热、导电性能,在航空航天、汽车制造、机械电子及其它民用领域具有广泛的应用前景。近年来,碳纳米相作为复合材料的增强体凭借其优异的力学性能和物理性能以及自身结构特点,引起人们极大关注而成为铝基复合材料研究领域的新热点。本文从不同维度结构的碳纳米相(零维碳纳米洋葱、一维碳纳米管、二维石墨烯等)为增强相的角度,概述了这些碳纳米相增强铝基复合材料的制备方法及其在力学性能方面的研究进展,阐述了从单一相增强到多元多维度混杂增强的铝基复合材料在力学性能方面的优势,旨在阐明通过碳纳米相的结构设计和空间构筑实现高强韧性铝基复合材料的设计思路,并展望了高强韧轻金属基复合材料未来的研究趋势。

依赖于增强相的界面效应和尺寸效应,金属基复合材料不断向综合性能优异的方向发展。由于界面结构对金属基复合材料最终的综合性能起决定性作用,故通过工艺设计实现界面结构的优化成为金属基复合材料的重要研究方向。碳材料(金刚石、碳纳米管和石墨烯等)由于具有优异的本征力学与功能特性,作为金属基复合材料的增强相近年来受到研究者的广泛关注。本文总结了近年来碳/金属复合材料界面结构的不同优化手段,讨论了不同界面结构对碳/金属复合材料结构和功能性能的作用机制,并对未来碳/金属复合材料的界面研究方向进行了展望。

尺寸稳定性是指材料在长期贮存或者服役环境下保持原始尺寸不变的能力。陀螺仪、星敏感器、光学观瞄设备等角度、速度、位置传感器的关键零部件对材料的微变形十分敏感,材料的尺寸不稳定性问题已经成为制约装备精度的“卡脖子”问题。国外自20世纪70年代从金属的热处理、预拉伸变形等组织调控方法入手做了较深入的研究,我国关于材料尺寸稳定性的研究十分薄弱,主要集中于残余应力的影响上,工程效果不明显。本文介绍作者及其团队长期从事材料尺寸稳定性研究的体会与成果,包括长期贮存(无应力)条件下尺寸稳定性的表征新方法,基于该方法发现了铝合金相稳定、组织稳定及其各向异性的基本规律;总结了铝基复合材料尺寸稳定性设计的基本原理和基于增强体弥散度的设计思路;高尺寸稳定性的光学级、仪表级SiC/2024Al复合材料的微观构型特征及其在实际工程中应用的效果。理论和实践表明,仪表精度及其精度稳定性取决于材料的尺寸稳定性,而材料的稳定性首要因素是其内禀变形特性,而残余应力是次要的。本工作也表明,尺寸稳定性原理的应用对于精密轴承一类高精度零件的技术提升也将有启发性。

纳米线具有超高强度及超大弹性应变,以其增强的复合材料被预期具有超常力学性能,然而,已有研究结果一直“令人失望”。其原因是纳米线的超常力学性能未能在复合材料中体现。基于对位错滑移型金属基体中的位错与纳米线界面交互作用是“失望”之源的猜想,提出采用点阵切变型金属的切应变与纳米线的弹性应变相匹配的设计概念,选择纳米线Nb/NiTi 记忆合金等体系,证实了纳米线(带、粒子)的超常力学性能得以在复合材料中体现,使复合材料具备超常力学性能成为现实。此外,还发现上述突破可引发复合材料呈现超常力学性能的新机制(大应力耦合效应等)。据此设计的Nb纳米线/NiTi 记忆合金复合材料兼具：弹性应变极限大于6%,弹性模量低于28 GPa,屈服强度高达1.65 GPa。

本文综述了非连续增强铝基复合材料的热变形行为理论研究方法,并描述了典型铝基复合材料的热变形机制和可加工性特征。对本构方程、加工图理论方法对流变行为和变形机制研究的可靠性进行了讨论,同时介绍了引入应变速率敏感指数和温度敏感指数作为基体合金变形机制演化辅助判据的方法。根据铝合金常见变形机制,讨论了不同类型增强体的铝基复合材料热加工变形行为特征。最后,对该领域未来的研究方向进行了展望。

本文综述了碳纳米材料增强镁基复合材料的国内外研究进展,详细介绍了碳纳米材料增强镁基复合材料的制备方法,着重分析了其强韧化机制,探讨了其界面结构,简单概述了其储氢性能、热性能、抗腐蚀性能,最后总结了镁基复合材料现阶段的局限性,展望了镁基复合材料未来的发展方向。

高温制备过程中熔融Al与SiC直接接触,二者间界面反应发生的可能性与多向性直接影响复合材料的界面结合状态。全面了解Al和SiC之间的界面结合、界面反应、界面结构等对于提高材料性能有着极其重要的作用。尽管人们对Al及其合金与SiC之间的润湿性和界面反应的研究很多,但很多结论仍存在分歧,且对Al与SiC真实润湿性的认识不够全面。Al与SiC之间界面反应发生的反应程度与反应时间、温度有很大关系,但是对于反应参数与反应程度之间的具体对应关系还没有系统的综述。合金元素的添加可以减弱界面反应的发生,然而在不同反应条件下,所添加合金元素的量与界面反应程度的关系,以及合金元素对于界面反应的影响机制还没有明确报道。本文系统地综述在确定的反应时间与反应温度条件下的界面反应、界面产物以及反应产物演变规律及机制等,Al以及添加不同合金元素的合金与SiC界面情况及界面润湿行为影响机制。从界面润湿、界面反应以及界面产物角度,为制备复合材料过程中所选择的工艺参数提供实验依据。

具有精细分级结构的金属纳米复合材料耦合了多组分和结构功能化的综合优势,展现出优良的光学及催化性能,这对于材料结构功能的一体化设计及其在环境能源等领域的应用有着重要意义。本文以蝶翅模板为例,系统介绍了精细分级结构金属纳米复合材料的制备、性能和应用探索研究,并对该领域的未来发展进行展望。

“材料基因工程”计划是以大数据作为支撑,采用高通量设计、制备和表征技术,促使材料研究从传统的试错模式转向低成本、快速响应的新模式,从而加快新材料的研发速度,实现研发成本和周期“双减半”的目标。金属基复合材料由于组分复杂、制备过程为热力学非平衡状态,带来一些新的问题需要解决,包括：(1) 高通量制备方法方面,针对合金块体样品开发的喷印合成法、多元结扩散法等基于热力学平衡理论的高通量制备技术无法直接用于金属基复合材料构件块体坯料的制造;(2) 高通量表征技术方面,缺乏针对金属基复合材料单一样品成分、形貌、组织、结构和性能的多维、多场、多尺度同步采集技术,以及针对阵列样品成分、形貌、组织与结构的快速表征技术。鉴于上述问题,本文综述了金属基复合材料高通量制备及表征技术发展现状及已取得的进展,特别是在增强体呈梯度分布的金属基复合材料制备技术与高通量组合表征方法上取得的突破,推动了高通量制备及表征技术在金属基复合材料领域的应用。最后指出了金属基复合材料高通量计算、制备方法和表征技术方面存在的瓶颈问题,并对高通量制备与表征技术的发展进行了展望。

采用机械合金化和热压烧结相结合的方法制备出原位TiB₂颗粒和TiB晶须混杂增强的铜基复合材料,利用XRD、OM、SEM、TEM研究了复合材料的微观组织,分析了热压烧结过程中的原位反应机理及微观组织对复合材料硬度、导电率及致密度的影响规律。结果表明：原位反应过程为Cu和Ti原始粉末在800 ℃开始反应生成Cu₃Ti中间相,在850 ℃时达到Cu₃Ti中间相的熔点并在基体中形成液相微区,然后B原子扩散至该液相微区,在继续加热过程中原位析出硼化钛增强相。TiB晶须含量相对较多的复合材料具有较高的硬度,TiB₂颗粒含量相对较多的复合材料具有较高的导电率,TiB晶须和TiB₂颗粒混杂增强的铜基复合材料则同时兼备了以上2种复合材料的性能优势,其综合性能得到优化。所得烧结态3%(TiB₂-TiB)/Cu混杂增强复合材料的硬度和导电率分别达到86.6 HB和70.4% IACS。

采用腐蚀法和计算机辅助设计(Creo Parametric)技术重构了原位生成Fe-TiB₂复合材料中增强相TiB₂在铁素体基体中的三维形貌,利用OM和SEM对增强相TiB₂的二维形貌和三维形貌进行比对分析,并结合压缩实验重新诠释了该材料的断裂机理。结果表明：单晶TiB₂初生相为六边形端面的八面体棱柱结构,多由2个或多个尺寸不一的单晶棱柱交错贯穿组成,其空间位置杂乱无章;共晶相TiB₂由瓣状/细柱状相和枝晶状相组成。Fe-TiB₂复合材料在承受载荷时,瓣状/细柱状和枝晶状共晶相相较于初生相TiB₂更容易发生脆断,成为材料断裂失效的主要诱因。二维微观组织观察到的小颗粒TiB₂相在实际空间中并不存在,通过控制凝固过程获得真正三维空间上的小颗粒TiB₂相对该复合材料的性能至关重要。

针对B₄C/Mg体系润湿性较差导致复合效率低下的问题,加入高熔点、不互熔金属Ti颗粒来改善该体系的润湿性,并成功利用原位反应浸渗法实现(B₄C+Ti)/Mg和(B₄C+Ti)/AZ91D复合材料的高效、低成本制备。对制备的(B₄C+Ti)/Mg和(B₄C+Ti)/AZ91D复合材料的微观组织、生成物相以及室温和高温阻尼性能进行了分析与表征。结果表明,制备温度对复合材料的微观组织和生成物相有较大的影响;随着制备温度的升高,原始颗粒之间的原位反应程度逐渐趋于完全,(B₄C+Ti)/AZ91D复合材料的微观组织逐渐由颗粒增强结构转变为网络互穿结构。(B₄C+Ti)/Mg和(B₄C+Ti)/AZ91D复合材料的室温和高温阻尼性能分别随着应变振幅和温度的升高而增强,主要作用机制为位错阻尼和界面阻尼机制。

为获得高质量、疲劳性能优异的SiC_p/6092Al复合材料搅拌摩擦焊接头,对3 mm厚的T6态SiC_p/6092Al复合材料轧制板材分别在50 mm/min的低焊速和800 mm/min的高焊速下进行搅拌摩擦焊接,转速恒为1000 r/min,研究焊速对接头的组织演变及拉伸性能、高周疲劳性能的影响。结果表明,高焊速接头表面“鱼鳞纹”较明显,且横截面方向的焊核区形貌与低焊速接头具有一定差异。焊速增加显著提高了FSW接头的硬度和拉伸强度,而对于未打磨表面的接头却未能提高接头的疲劳极限,低焊速下接头的高周疲劳极限为150 MPa,高焊速下接头的高周疲劳极限降为140 MPa。不同循环应力加载下,试样表现出不同的断裂方式。高应力下,低焊速接头由表面“鱼鳞纹”凹痕引起疲劳断裂,而高焊速接头是由焊核区底部的涡旋区流动不充分引起断裂。在低应力下,未打磨试样均由接头表面“鱼鳞纹”凹痕引起疲劳断裂,三维表面形貌显示高焊速接头表面粗糙度较大是造成疲劳极限较低的原因。与未打磨试样相比,经过打磨抛光后的接头光滑表面试样的疲劳极限提高了40~65 MPa,且高焊速下的光滑试样表现出更高的疲劳极限(205 MPa),光滑表面接头在疲劳测试时均在最低硬度区及其附近区域发生断裂。

采用电磁场调控技术和直接熔体反应技术成功制备出原位纳米ZrB_{2 np}/AA6111复合材料,研究了电磁场对复合材料微观组织的影响,分析了磁场的调控机制和微观组织对拉伸性能的影响规律。结果表明,施加电磁场可分散颗粒团聚体、改善团聚体分布、细化纳米增强颗粒(50~100 nm)并使颗粒边角变圆润,基体与颗粒的界面结合良好,干净无杂质,位错与颗粒相互交缠且密度增加。当电磁频率为10 Hz时,其最佳抗拉强度为362 MPa,屈服强度为253 MPa,伸长率为25%,分别比未施加磁场的ZrB_{2 np}/AA6111复合材料提高了38.7%、68.6%和28.7%。