По мере нарастания энергетического кризиса и усугубления экологических проблем разработка лёгких конструкционных материалов привлекает всё большее внимание, особенно в таких отраслях, как авиакосмическая, автомобильная и военная промышленность. Композиты на основе алюминия благодаря своей низкой плотности, высокой удельной прочности и хорошей износостойкости стали объектом интенсивных исследований. Однако эти композиты обычно сталкиваются с компромиссом между прочностью и пластичностью: повышение прочности зачастую сопровождается снижением пластичности, что ограничивает их практическое применение. Для решения этой проблемы учёные начали изучать гетерогенные структуры — такие как двумодальная зернистая структура, градиентная структура и гармонизированная структура, — которые за счёт использования механизмов взаимного упрочнения и повышения вязкости разрушения между различными микросоставляющими способны одновременно увеличивать прочность и пластичность материала.

В частности, бимодальная зернистая структура привлекает особое внимание благодаря её способности эффективно повышать пластичность в нанозернистых и ультрамелкозернистых (UFG) металлических материалах или композитах. Регулирование микроструктурных параметров — таких как размер зерна, соотношение объёмов UFG и крупнозернистых (CG) фаз, а также пространственное распределение областей UFG и CG — играет ключевую роль при проектировании гетерогенных конструкционных материалов с оптимальным сочетанием прочности и пластичности.

В ответ на вышеуказанные проблемы исследовательская группа, сформированная Шанхайским университетом Цзяо‑Тун, использовала технологию «in situ» компании Зэюй. ТЕМ Система измерений была предметом углублённого исследования. Они, точно регулируя долю крупнозернистых участков в бимодальном микроструктурном поле, косвенно изменяют и другие параметры гетероструктуры, такие как ширина зоны крупнозернистых участков и пространственное распределение этих участков. Соответствующие результаты опубликованы в журнале «Composites Part A: Applied Science and Manufacturing» под названием «Optimizing heterostructure parameters towards enhanced toughening in micro/nano-reinforced bimodal-grained Al alloy composites»; ссылка на полный текст: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108442

Основное содержание данной статьи сосредоточено на усилении механизмов повышения вязкости разрушения и прочности алюминиевых композитов на микро- и наноуровнях путём оптимизации параметров гетерогенной структуры. Исследовательская группа, точно регулируя массовое соотношение крупнозернистой (CG) и ультрамелкозернистой (UFG) фаз, изучила влияние различного содержания CG на механические свойства композита. Было установлено, что при соотношении CG к UFG 20:80 композит демонстрирует оптимальное сочетание прочности, пластичности и вязкости разрушения.

В ходе исследования, путём введения наночастиц оксида магния (n‑MgO), образующихся in situ, и экзогенных… Углеродные нанотрубки (УНТ), внутренний механизм повышения вязкости разрушения композитов был усилен. Эти наноармирующие фазы не только улучшают способность зон УФГ к накоплению дислокаций, но и за счёт увеличения высокой плотности стекированных слоёв дислокаций ( СФs ) для дальнейшего повышения внутренней вязкости материала. Кроме того, исследование показало, что хорошо диспергированные CG‑домены вносят значительный вклад в эффект пассивации трещин, тогда как такие внешние механизмы повышения прочности на разрыв, как разветвление трещин, размножение микротрещин и образование наномостиков, также играют важную роль в композитных материалах.

Для глубокого понимания поведения трещин исследователи применили многомасштабный анализ, включая in situ‑растягивающие испытания в режиме просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), а также метод трансмиссионной дифракции Кикучи (TKD). Эти эксперименты позволили выявить поведение трещин на различных масштабах: начальное зарождение трещин в твёрдых зонах, их отклонение и разветвление на наноуровне, а также затупление трещин на границах раздела между UFG‑ и CG‑зонами.

Кроме того, в исследовании была использована модель градиента деформации для оценки влияния содержания углеродных наночастиц (CG) на микромеханическое поведение композитов. С помощью математического моделирования и численного имитирования учёные смогли предсказать напряженно‑деформированное поведение материала при различных содержаниях CG и проанализировать распределение и эволюцию геометрически необходимых дислокаций (GNDs). Таким образом, данное исследование, систематически оптимизируя микроструктуру композитов, позволило повысить их прочность и вязкость без ущерба для пластичности, что обеспечивает новые стратегии и теоретическую основу для проектирования и производства алюминиевых композитов с выдающимися комплексными свойствами.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и предлагает… Пико Фемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевым научным достижениям отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлены используемые в данном исследовании in situ‑устройства: