《Journal of Alloys and Compounds》：Spallation behavior of 3D Cu-W interpenetrating phase composites
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本研究通过对比传统粉末冶金Cu-W复合材料与三维互穿相Cu-W复合材料在高过载动态冲击下的性能，揭示了W骨架主导应力承担机制，界面波阻抗不匹配有效抑制裂纹扩展，从而显著提升冲击性能超过两倍。
连晓涵|李秉宇|塔耶布·阿里|侯建宏|彭辉|朱文军|刘思达|刘增谦|王浩|马英杰|李淑军|张哲锋|杨瑞
中国科学院金属研究所先进材料创新中心，沈阳110016，中国
摘要
三维互穿相金属复合材料具有优异的强度、阻尼和能量吸收性能，使其成为抗冲击和保护应用中的极具前景的材料。本研究通过高过载动态冲击测试，研究了Cu-W互穿相复合材料（IPCs）的损伤机制，并将其性能与传统的粉末冶金法制备的Cu-W复合材料进行了比较。结果表明，在高过载动态冲击条件下，W骨架主要承受了施加的应力，而Cu基体发生了显著的塑性变形。与Cu-W粉末冶金复合材料不同，后者由于孔洞在随机位置形成并聚合导致剥落失效，而我们的Cu-W IPCs的失效主要发生在W骨架内部，由裂纹形成并沿骨架结构扩展引发。由于界面波阻抗不匹配，冲击波的传播路径发生了改变，从而促进了能量耗散，同时抑制了裂纹的生长。因此，Cu-W IPCs的抗冲击性能显著提高，比传统的Cu-W粉末冶金复合材料提高了两倍以上。
引言
随着工业应用的迅速发展，对能够承受极端空气动力学力和机械载荷的结构材料的需求显著增加[1]、[2]、[3]。例如，飞机机翼框架、弹道钢板和装甲车辆等部件需要在爆炸和冲击等极端条件下保持结构完整性和稳定性，同时具备高强度和优异的抗冲击性能。
迄今为止，多孔材料、纯金属、合金和复合材料已被广泛用于抗冲击应用。在冲击载荷下，多孔材料通过不可逆的变形过程（如孔洞逐层崩塌）耗散大量能量。由于这些材料本身密度较低，因此具有优异的机械性能，并能实现显著的减重[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。然而，单一的多孔泡沫材料通常需要与其他面板结合使用，导致结构较为笨重，降低了空间利用率并增加了防护设计的复杂性[9]、[10]。纯金属由于其高度有序的原子排列，可以通过位错运动等方式吸收和耗散冲击能量[11]、[12]。通过调整晶粒尺寸、相比例和位错密度等微观结构，可以优化强度、延展性和韧性的平衡，从而提高抗冲击性能[13]、[14]、[15]。然而，与具有高能量吸收特性和明显应力平台特性的材料不同，纯金属和合金在屈服或达到临界载荷之前无法有效吸收能量，导致有效能量吸收应变较低。此外，虽然塑性变形可以引起加工硬化，但在冲击载荷下容易发生失效[16]。相比之下，复合材料通常具有较高的比强度，并有助于减轻结构重量。在冲击作用下，它们通过多种机制耗散能量，从而实现优异的抗冲击性能[17]、[18]、[19]。然而，复合材料中均匀分布但不连续的增强相限制了强度效率，同时也导致了应力传递不均匀和局部应力集中。这些因素促进了界面裂纹或相间的局部损伤，最终降低了抗冲击性能[20]、[21]。
近年来，三维互穿相复合材料（IPCs）因其优异的强度、硬度、韧性以及制造复杂结构的能力而受到广泛关注[22]、[23]。这些复合材料由两种或更多种不同的相组成，这些相在微观结构中拓扑互连。每个相的设计都是为了优化复合材料的整体机械性能。Bauer等人[24]制备了结构化的3D金属-陶瓷IPCs，通过3D互穿网络设计实现了超高的强度平台和延展性压缩变形，其能量吸收能力超过了传统的蜂窝材料。Jiang等人[25]研究了双尺度3D CrMnFeCoNi/聚合物IPCs，并证明了两种组分的结构完整性和连续性使得各自的阻尼机制得以激活。通过叠加多种阻尼效应，这些复合材料在广泛的频率和温度范围内表现出高阻尼能力。此外，互连结构促进了聚合物基体中连续的热传导网络的形成，从而显著增强了能量耗散能力。类似地，Lee等人[26]研究了碳/环氧周期性双连续IPCs，并报告了720 kJ/kg的特定能量吸收率，这是通过剪切主导的界面相互作用实现的。相比之下，传统复合材料仅依赖于基体与增强相之间的界面粘结。而IPCs建立了互穿和机械锁定的结构，这一独特特性有效缓解了早期失效的发生，这种失效通常与界面裂纹有关[27]、[28]、[29]。
迄今为止，大多数关于3D IPCs的研究集中在静态/准静态载荷和低速冲击条件下[30]、[31]。然而，在高速冲击下，IPCs的动态机械性能、微观损伤起始和扩展机制可能存在显著差异，目前仍不够清楚。在本研究中，我们研究了通过粉末冶金技术制备的Cu-W复合材料和仿生3D Cu-W IPCs在高速动态冲击下的机械行为和失效机制，并进一步创建了损伤演变的示意图来描述Cu-W复合材料的失效行为。
部分内容摘要
复合材料的制备
仿生3D模型使用SolidWorks 2018软件（Dassault Systèmes，美国）设计W骨架，然后在Materialise Magics 21.0（Materialise，比利时）中进行切片和处理。W骨架采用S150电子束熔化系统（西安赛龙金属材料有限公司）通过电子束选择性熔化制备，使用纯钨粉，扫描速度为500 mm/s，如图1a所示。仿生W骨架由宽度为2 mm的支柱组成
微观结构
两种Cu-W复合材料的微观结构如图4所示。可以看出，IPCs由两种不同的相以有序排列组成。两种材料之间的界面表现出强结合（即组成相的3D空间机械互锁[31]、[32]和通过毛细作用的机械结合[33]，界面处没有新相形成的证据。在界面处进行的能量色散光谱（EDS）分析（图4h和
失效机制
对3D Cu-W IPCs在高过载条件下进行了有限元模拟。结果表明，如图11a和b所示，相邻Cu和W颗粒的速度相当，位于样品中心的颗粒速度高于边缘的颗粒。模拟结果进一步通过实验数据进行了验证。如图11c和d所示，在0.397 km/s和0.639 km/s的冲击速度下获得的自由表面速度曲线
结论
3D Cu-W IPCs的制备结合了3D打印和渗透技术。对其高过载动态冲击行为进行了系统研究，并与Cu-W粉末冶金复合材料进行了比较。通过对微观结构和失效形态的表征和分析，探讨了损伤机制，得出以下结论：
(1)在高过载动态冲击下，W骨架主要承受应力，
CRediT作者贡献声明
马英杰：撰写 – 审稿与编辑、方法学、资金获取。王浩：监督、项目管理、资金获取。刘增谦：项目管理、概念化。塔耶布·阿里：撰写 – 审稿与编辑、验证。杨瑞：方法学、资金获取。李秉宇：方法学、研究。张哲锋：方法学、概念化。连晓涵：撰写 – 初稿、验证、方法学、研究、正式分析。李淑军：撰写 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了国家自然科学基金（52321001, U2241245）、先进材料-国家重点科技重大专项（2025ZD0612001）和国家冲击波与爆轰物理重点实验室开放项目（2022JCJQLB05702）的支持。
