通过异质结构设计，TiBw-TiCp增强TC4/Ti复合材料具备优异的静态和动态力学性能以及较高的能量吸收能力

《Materials Science and Engineering: A》：`Superior Static and Dynamic Mechanical Properties and High Energy Absorption in TiBw-TiCp Reinforced TC4/Ti Composites Enabled by Heterostructure Design

本研究通过异质结构设计和原位强化策略，成功制备了TiBw-TiCp/(TC4+Ti)复合材料，显著提升了强度、塑性和能量吸收能力（准静态强度985 MPa，断裂延伸率17.1%，动态压缩下能量吸收408 MJ/m3），并揭示了多尺度异质界面协同机制。

　　

王怀坤|张红梅|程星旺|穆晓楠|李鹏远|王宇|魏启超|段洪强|陈希阳|孙一欣|马哈茂德·努曼

中国北京工业大学材料科学与工程学院，国家冲击与碰撞材料科学技术重点实验室，北京 100081

摘要

本研究旨在提高轻质、抗弹材料的强度-塑性协同性和能量吸收能力。在异质结构设计原理的指导下，成功制备了一种新型的TiBw-TiCp/(TC4+Ti)复合材料。在该复合材料中，纯Ti作为软相，TC4作为硬相，B₄C颗粒作为初始增强相。这种复合材料形成了独特的多尺度异质界面，实现了强度和塑性的协同提升。B₄C与基体之间的原位反应生成了TiB whiskers（TiBw）和TiC颗粒（TiCp），显著增强了软相与硬相之间的界面结合力。该复合材料表现出优异的综合力学性能：准静态极限抗拉强度为985 ± 10 MPa，断裂伸长率为17.1 ± 0.5%。在3000 s^-1的应变率下进行动态压缩时，真实应力达到1562 MPa，真实应变为27.8%，能量吸收能力为408 MJ/m³。分析表明，孪晶作用使软相发生塑性变形，而 whiskers的多次断裂有效耗散了能量，从而抑制了初级绝热剪切带（ASBs）的形成。异质结构与增强相之间的协同效应实现了最佳的强度-塑性平衡和能量吸收提升。本研究为提高钛基复合材料的准静态和动态力学性能提供了新的设计策略和理论基础。

引言

钛基复合材料（TMCs）由于其低密度、高比强度以及优异的高温和耐腐蚀性，在航空航天、轻型车辆制造和通用工业中具有广泛的应用潜力[1]、[2]、[3]、[4]。通过基体与增强相（如陶瓷颗粒和纤维）之间的协同效应（例如载荷传递和互补强化），这些材料显著提升了传统钛合金的综合性能，使其成为极端环境中轻质承重结构的首选材料。然而，钛合金及其复合材料中的强度-塑性不匹配问题仍然普遍存在[5]、[6]、[7]。在具有单一基体结构的传统钛合金或TMCs中[8]、[9]、[10]，强度的提升往往伴随着延展性和韧性的降低，难以满足极端环境下的使用要求。

异质结构（HS）设计作为一种有前景的策略，可以同时提高强度和延展性[11]、[12]、[13]、[14]。通过构建具有软硬相梯度分布和非均匀微观结构的材料，HS材料利用了多种机制的协同效应，包括相间的变形协调、应力重分布和应变梯度强化。这种方法已成功应用于高熵合金[15]、[16]、镁合金[17]、钛合金[18]及其复合材料[19]、[20]、[21]、[22]。例如，高等人[23]通过多层次HS设计，在一种铸造中熵合金（MEA）中实现了1175 MPa的屈服强度、1621 MPa的抗拉强度、15%的断裂伸长率以及优异的应变硬化能力。吴等人[24]通过HS设计优化了一种商用钛合金（Ti-55531），使其抗拉强度提高了6%，延展性提高了130%，证明了软硬相性质差异驱动的强度-塑性协同效应的可行性。同时，越来越多的研究将HS设计视为解决TMCs中强度-塑性不匹配问题的新方法[24]、[25]、[26]。

在增强策略方面，B₄C的原位反应技术具有显著优势：在高温下，B₄C可以与钛基体自发反应，原位生成TiBw和TiCp。这种技术已被证明是优化轻质复合装甲综合性能的有效方法[27]、[28]、[29]、[30]。与体外增强相相比，原位生成的增强相具有清洁的界面和高的结合强度，可以通过多位点协同机制（如位错钉扎、载荷传递和裂纹偏转）增强基体[1]、[31]、[32]。现有研究已经实现了用B₄C对单一钛基体（如TC4、纯Ti）进行原位增强，从而提高了强度和硬度[33]、[34]、[35]。然而，双合金基体与原位生成增强相组合对材料准静态抗拉和动态冲击性能的协同强化效应目前尚不明确。

目前，关于TMCs的研究在基体配置设计和性能覆盖范围方面仍存在显著局限性。这些局限性主要体现在两个方面：（1）单一基体配置——大多数现有研究集中在由单一基体与增强相组成的复合体系上，而由协作软硬相组成的双基体复合材料的强度-延展性协同调控机制尚未得到充分和系统的理解；（2）性能研究范围有限——当前研究主要关注准静态力学性能，而高应变率下的动态力学响应和失效行为尚未得到充分探索。然而，在许多工程应用中，材料需要在静态和动态载荷条件下都表现出优异且稳定的综合力学性能。

为了解决这些挑战，本研究以结构设计、制备工艺和性能机制的协同创新为核心目标。首先，开发了一种结合双基体架构与原位增强的多层次耦合设计策略，以实现强度和延展性的协同提升。其次，通过精确的微观结构调控，系统阐明了软硬相复合体系中的变形协调和强化机制，从而克服了传统TMCs中常见的强度-延展性trade-off。同时，通过整合多尺度力学行为分析，全面研究了材料在不同载荷条件（准静态和动态）下的力学响应和内在机制，为高性能TMCs的结构设计和性能优化提供了理论基础和技术指导。

本研究旨在建立钛基复合材料静态和动态力学性能协同优化的理论框架，促进其在各种先进技术领域的工程应用。它为需要抗冲击性和轻量特性的关键结构组件的设计提供了新的见解和实用解决方案。

材料与制备

如图1所示，本研究所采用的制备过程包括几个关键步骤：粉末混合和球磨、真空蒸发干燥、热压烧结以及随后的真空密封管热处理。最终，将烧结好的材料激光切割成标准测试试样。值得注意的是，烧结过程使用的是由中国苏州哈腾有限公司制造的快速热压烧结系统（RHPS，型号FHP-828）。

B₄C对(TC4+Ti)复合材料初始微观结构和抗拉性能的影响

图3展示了B₄C添加对不同基体材料微观结构的影响。如图3(a, b)所示，在B₄C增强的TC4和Ti材料中形成了准连续的三维（3D）网络结构。对于TiBw-TiCp/(TC4+Ti)复合材料，在所采用的特定烧结温度和压力条件下，软质Ti相呈现单一α相结构，具有较低的强度和较高的塑性；相比之下，TC4...

孪晶介导的能量耗散和界面强化的协同效应

在3000 s^-1的高应变率下进行动态压缩时，材料内部迅速积累应变能，导致位错密度增加。由于位错滑移速率低于应力波传播速度，应力持续累积直至达到孪晶形成所需的临界剪切应力。在此阶段，许多位错在孪晶周围积累并储存。这些位错作为额外的运动障碍，增强了材料的应变硬化效应

总结

• (1)
  成功制备了TiBw-TiCp/(TC4+Ti)复合材料。依靠Ti（高塑性，软相）和TC4（高强度，硬相）之间的协同作用，并结合B₄C的原位反应生成的TiBw和TiCp，构建了一个多层次HS和原位增强相的多级性能调控系统。这突破了传统单一基体复合材料中强度-塑性不匹配的瓶颈。
• (2)
  TiBw-TiCp/(TC4+Ti)复合材料表现出优异的...

CRediT作者贡献声明

李鹏远：方法学、形式分析。王宇：监督、方法学。魏启超：方法学、研究。段洪强：监督、方法学。王怀坤：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、研究、形式分析、概念化。张红梅：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、形式分析。程星旺：写作——审阅与编辑、项目管理、形式分析。穆晓楠：

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52471114）的财政支持。