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

打破金属基复合材料的强度-延展性权衡：纳米尺度增强尺寸对变形和强化机制的作用综述

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

文章介绍：

技术和工业过程的快速发展为材料科学领域，尤其是金属材料，带来了新的机遇和挑战，特别是在其优异的机械、热、电、电子化学和生物医学性能方面。金属基复合材料（MMCs）由于增强材料选择和微观结构设计的灵活性，已成为克服传统金属及其合金固有性能局限性的理想选择。近年来，零维（0D）纳米颗粒、 一维（1D）纳米管/纳米纤维、二维（2D）纳米片/纳米薄片和三维（3D）连续网络等增强材料的MMC展现了强度和硬度的巨大提升。然而，纳米级增强材料的加入常常对其他性能，如延展性和电/热导率，产生不可预测的影响。由于增强材料和基体本身固有性能差异巨大，如何实现纳米增强材料的合理分散成为一大挑战，可能导致聚集问题，从而降低延展性或断裂韧性。此外，界面润湿性不足会导致增强材料和基体之间的相互作用弱或负载传递差，从而进一步复杂化性能提升。这些问题共同导致了强度与延展性之间的权衡，以及复合材料物理性能的降解。此外，MMC中的异质界面引入了额外的不确定性，影响其塑性变形过程。大量研究表明，增强材料的尺寸特征和界面结构对位错、微裂纹、应变/应力和断裂行为有很大影响，导致准确的理论预测困难。因此，MMC的精确加工和精细设计受到了严重限制。

近年来，研究者尝试通过分散技术、界面改性和增强材料分布等方式实现MMC强度与延展性的协调组合。对于0D颗粒增强材料，自发聚集现象主要是由于强大的范德华力，特别是当粒径达到纳米尺度或颗粒在基体中的含量超过特定阈值（约6体积％）时。为克服增强材料聚集问题，已提出诸如纳米颗粒自稳定化、液体中预搅拌粉末和分子级混合等策略。由于1D纤维或须状物的高长径比，增强材料与金属基体之间通常存在较大的润湿角，导致界面粘结差，在负载下出现过早失效。因此，在MMC中构建半共格/共格界面成为有效增强复合材料强度和塑性的策略之一，通过增强增强材料和金属基体之间的粘结强度。此外，在金属基体中设计对齐或层状结构的2D纳米片或纳米薄片已显著推进高性能MMC的发展，强调了基体中配置设计的重要性。与实现金属中不均匀分布的策略相反，最近的研究专注于增强材料的连续性，即通过焊接2D材料或原位生长方法构建连续网络结构。这已被证明能有效改善MMC的整体性能，并为理解强化和韧化机制开辟了新的途径。

从上述讨论中可以看出，不同维度的纳米增强材料的强化和韧化策略通常是不同的。如今，得益于先进制备工艺的发展，纳米材料的集成性能得到了极大增强，提供了更广泛的增强材料选择可能性，如1D碳/硼纳米管或金属纳米线、2D石墨烯（GN）或MXene纳米片及3D GN网络。例如，1D孤立的TiB/Ti通过出色的异质变形诱导（HDI）硬化效应实现了卓越的强度和延展性协同增强，2D层状GN/Cu复合材料通过在GN表面插入不同浓度的含氧官能团展现出独特的位错行为和裂纹扩展规律，3D网络GN/Cu通过连续的GN网络实现了强度、塑性、电子导电性和热导率的平衡。为了充分利用这些纳米增强材料的维度特征，有必要系统地研究和总结它们的强化和变形机制，以促进设计具有卓越综合性能的MMC，涵盖强度-延展性及其他功能性属性。

目前，一些综述已经总结了不同维度纳米材料增强的MMC的制备方法。然而，现有文献并未充分阐明不同增强维度相关的设计原理和优化条件，限制了MMC整体性能的准确预测。此外，MMC的致密化和组件制造与塑性变形过程密切相关。为了在这些材料中实现强度和韧性的协同组合，必须理解纳米增强材料和基体在微观和宏观尺度上的相互作用规律。本综述将纳米增强材料根据其不同的强化和韧化机制以及MMC中观察到的变形行为，分为0D、1D、2D和3D四类，强调了在调节机械性能和理解其内在机制时考虑增强维度的重要性。综述的第二至第六部分独立探讨了当前实验和理论研究中四种不同维度增强材料的影响因素和内在机制。最后，本综述通过提供策略，旨在选择适当的设计方案，优化结构性能，以满足使用需求并优雅地优化MMC的设计。

中文摘要：

金属基复合材料（MMCs）通过各种维度的纳米增强材料（从0D到3D）进行强化，因其卓越的机械和功能性能，在电子电路、航空航天和新能源汽车等多个领域中具有重要应用。尽管应用广泛，但基体与纳米增强材料之间固有的性能差异通常导致强度和塑性之间的权衡，及物理性能的降低。本文综述了通过纳米增强材料强化的MMC的研究现状，探讨了实现强度-延展性匹配或增强物理性能的精心设计方法，并分析了影响强化、韧化机制及变形行为的因素。