张荻,熊定邦,李志强
(金属基复合材料国家重点实验室(上海交通大学),上海 200240)
摘要:
金属基复合材料(MMCs)由于其优异的性能,在空天、交通、电子、能源等领域的应用中具有不可替代的作用。随着科学技术的发展,单一高性能的金属基复合材料常不能满足越来越复杂的使役条件,亟需发展综合性能优异、多功能协同的新型金属基复合材料。然而,不同性能之间由于多种增强机制耦合,其解耦调控困难,使得它们呈现倒置关系。近年来,通过调控增强体在金属基体中的空间分布,即对复合构型开展研究,充分发挥复合材料的可设计性,最终实现金属基复合材料的多性能之间的协同,已成为该领域发展的重要趋势。本文在本研究团队前期关于金属材料构型化复合的研究基础上,以纳米碳/铜基复合材料为典型范例,对我们在该类新型材料研究中通过复合构型设计实现结构-功能一体化的最新进展,即“微纳砖砌”构型对强度-塑韧性-导电性能的协同进行了总结和介绍,并对该领域的发展趋势进行了展望。
关键词: 金属基复合材料 复合构型 多功能 强韧化 仿生构型
DOI：10.11951/j.issn.1005-0299.20200126
分类号:ＴＢ３３１
文献标识码:A
基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFB0406200);国家自然科学基金资助项目(51771110,51971131).
Multifunctional copper matrix composites by architecture design
ZHANG Di, XIONG Dingbang, LI Zhiqiang
(State Key Laboratory of Metal Matrix Composites(Shanghai Jiao Tong University), Shanghai 200240, China)
Abstract:
Metal matrix composites (MMCs) play an irreplaceable role in the fields of aeronautics and astronautics, transportation, electronics, and energy due to their exceptional properties. With the development of science and technology, MMCs with single high performance cannot meet the requirements of more and more complex service conditions, and it is urgent to develop new MMCs with outstanding comprehensive properties and multifunction synergy. However, various enhancing mechanisms for different properties are coupled and difficult to be decoupled, which results in multiple trade-off in many properties. In recent years, regulating the spatial arrangement of reinforcement in metal matrix has been an important tendency for the development of MMCs, where studies focuson composite architecture and utilize the designability of composite materials to realize good balances between various properties in MMCs. In this paper, based on our investigation on the architecture design of MMCs, by taking the nanocarbon reinforced copper matrix composites as a typical example,our recent progress on achieving the integration between structural and functional properties by architecture design in these new materials is introduced, i.e., the synergy between mechanical strength-toughness and ductility-electrical conductivity realized by an architecture of “brick-and-mortar” at micro-/nano-scale. In addition, the development trend in this field is put forward.
Key words: metal matrix composites composite architecture multifunction strengthening-and-toughening bioinspired architecture
张荻, 熊定邦, 李志强. 铜基复合材料的构型多功能化[J]. 材料科学与工艺, 2020, 28(3): 109-115. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20200126.
ZHANG Di, XIONG Dingbang, LI Zhiqiang. Multifunctional copper matrix composites by architecture design[J]. Materials Science and Technology, 2020, 28(3): 109-115. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20200126.
基金项目 国家重点研发计划项目(2017YFB0406200);国家自然科学基金资助项目(51771110，51971131) 通信作者 熊定邦，E-mail：xiongdingbang@sjtu.edu.cn 作者简介 张荻(1957—)，男，教授, 博士生导师;
熊定邦(1979—)，男，特别研究员，博士生导师;
李志强(1973—)，男，研究员 文章历史 收稿日期: 2020-04-22 网络出版日期: 2020-06-15
Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF
铜基复合材料的构型多功能化
张荻, 熊定邦
, 李志强 金属基复合材料国家重点实验室(上海交通大学)，上海 200240
收稿日期: 2020-04-22; 网络出版日期: 2020-06-15
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFB0406200);国家自然科学基金资助项目(51771110，51971131)
作者简介: 张荻(1957—)，男，教授, 博士生导师;
熊定邦(1979—)，男，特别研究员，博士生导师;
李志强(1973—)，男，研究员.
通信作者: 熊定邦，E-mail：xiongdingbang@sjtu.edu.cn.
摘要: 金属基复合材料(MMCs)由于其优异的性能，在空天、交通、电子、能源等领域的应用中具有不可替代的作用。随着科学技术的发展，单一高性能的金属基复合材料常不能满足越来越复杂的使役条件，亟需发展综合性能优异、多功能协同的新型金属基复合材料。然而，不同性能之间由于多种增强机制耦合，其解耦调控困难，使得它们呈现倒置关系。近年来，通过调控增强体在金属基体中的空间分布，即对复合构型开展研究，充分发挥复合材料的可设计性，最终实现金属基复合材料的多性能之间的协同，已成为该领域发展的重要趋势。本文在本研究团队前期关于金属材料构型化复合的研究基础上，以纳米碳/铜基复合材料为典型范例，对我们在该类新型材料研究中通过复合构型设计实现结构-功能一体化的最新进展，即“微纳砖砌”构型对强度-塑韧性-导电性能的协同进行了总结和介绍，并对该领域的发展趋势进行了展望。
关键词: 金属基复合材料 复合构型 多功能 强韧化 仿生构型
Multifunctional copper matrix composites by architecture design
ZHANG Di, XIONG Dingbang
, LI Zhiqiang State Key Laboratory of Metal Matrix Composites(Shanghai Jiao Tong University), Shanghai 200240, China
Abstract: Metal matrix composites (MMCs) play an irreplaceable role in the fields of aeronautics and astronautics, transportation, electronics, and energy due to their exceptional properties. With the development of science and technology, MMCs with single high performance cannot meet the requirements of more and more complex service conditions, and it is urgent to develop new MMCs with outstanding comprehensive properties and multifunction synergy. However, various enhancing mechanisms for different properties are coupled and difficult to be decoupled, which results in multiple trade-off in many properties. In recent years, regulating the spatial arrangement of reinforcement in metal matrix has been an important tendency for the development of MMCs, where studies focuson composite architecture and utilize the designability of composite materials to realize good balances between various properties in MMCs. In this paper, based on our investigation on the architecture design of MMCs, by taking the nanocarbon reinforced copper matrix composites as a typical example, our recent progress on achieving the integration between structural and functional properties by architecture design in these new materials is introduced, i.e., the synergy between mechanical strength-toughness and ductility-electrical conductivity realized by an architecture of "brick-and-mortar" at micro-/nano-scale. In addition, the development trend in this field is put forward.
Keywords: metal matrix composites composite architecture multifunction strengthening-and-toughening bioinspired architecture
随着科学技术的发展，金属基复合材料使役条件愈加复杂和苛刻，多种外场的交互作用要求其具有更为优异的综合性能，这相对于单一高性能复合材料而言，在材料设计与制备上更具挑战性。其中，以电子、电力、强磁场等领域为应用背景的高强度、高导电MMCs是最为典型的例子之一。一方面，陶瓷颗粒等微米增强体与金属基体间本征的弹塑性变形和热变形失配，导致微区应力集中，加剧应变局域化现象，大大降低了金属基复合材料的塑韧性与损伤容限；另一方面，金属基体的主要强化手段都需要引入多种缺陷、异质相和复合界面，在强度显著提高的同时，由于电子散射中心的急剧增加而导致电导率的大幅降低。在传统的设计理念和制备方法下，这就必然导致金属基复合材料强度-塑韧性-导电性能之间难以兼顾、顾此失彼[1-2]。与此同时，实际应用中还需要考虑尺寸/热稳定性、导热、耐腐蚀、摩擦磨损等更为全面的使役性能。因此，在材料复合体系甄选的基础上，亟需发展新的复合理念和方法，最大限度地发挥复合材料的可设计性和复合效应，突破现有复合方法和材料性能的局限。
1 金属材料的构型化复合复合化的优势在于其丰富的可设计性，主要表现为组分多元化和复合构型(Architecture, 增强体与金属基体的空间配置)多样化。在传统复合理念指导下，大多数研究都集中在对组分，特别是对增强体的设计和甄选上，如从微米到纳米、从三维到低维的发展。这些研究在利用材料组分本征性能的基础上，通过均匀分散和界面控制等方式调节不同组分之间的协同耦合效应、界面效应，从而综合提高材料的性能。而这种单一尺度下的均匀复合构型设计简单，变形与强韧化机制单一，多组分未能协同耦合，对于缓解应力集中、延缓断裂收效不大。
近年来，国内外的材料科学家逐渐认识到复合构型对于金属及金属基复合材料强韧化的重要作用，并进行了探索研究[3-5]，发现混杂(hybrid)[6]、层状(laminate)[7-8]、环状(ring)[9]、双峰(bi-modal)[10]、梯度(gradient)[11]、多孔(microcellular)[12]、双连续/互穿网络(bi-continuous/ interpenetrating networks)[13-14]、分级(hierarchical/tri-modal)[15-16]、谐波(harmonic structure)[17]等“非均匀”复合构型更有利于发挥复合设计的自由度和复合材料中不同组元间的协同、耦合及多功能响应机制，从而进一步发掘金属基复合材料的性能潜力，实现其性能指标的优化配置。尽管上述研究对具有非均匀复合构型的金属基复合材料进行了有益探索，但对非均匀复合构型中的强韧化机制和各种性能影响因素的复杂耦合效应很少涉及，仅孤立地对某些特定复合构型特征与性能响应进行报道，而缺乏对非均匀复合构型金属基复合材料共性问题的阐释，也尚未提出以具体性能为导向对复合构型进行设计的方法与理论框架。
反观自然，生物复合材料极为丰富且精细的复合构型，及其近乎完美的结构-性能响应关系，为金属基复合材料研究中以性能为导向的复合构型设计提供了巨大宝库[18-19]。典型地，贝壳珍珠层所具有的精细“微纳砖砌”构型赋予了其优异的强韧匹配性能，即矿物“砖”因纳米化其强度得以提高，而“砖砌”构型通过偏转裂纹大幅提高对断裂能量的吸收能力。虽然金属基复合材料重点需要解决的是金属复合强化的同时带来塑韧性降低问题，但“微纳砖砌”复合构型中纳米细晶强化、裂纹偏转韧化等主要强韧化机制在两种材料体系是统一的，为金属基复合材料的构型强韧化提供了典范。近年来，启迪于贝壳珍珠层的构效关系，我们团队建立了自主创新的仿生复合制备方法和技术(图 1)，即将商用球形金属粉体通过球磨塑性变形，创制微纳尺度的片状基元(金属“砖”)，再与高性能的纳米增强体碳(碳纳米管、石墨烯、纳米颗粒等)复合，继而堆砌组装，构筑纳米碳/金属“微纳砖砌”复合构型。基于该方法，我们创制了具有“微纳砖砌”精细结构的Al2O3-Al[20]、CNTs-Al[21]、石墨烯-Al[22]和石墨烯-CNT混杂增强Al[23]等构型化复合金属基复合材料。其中，以典型的石墨烯/Al构型化复合材料为例，在保持总延伸率不变的情况下，其杨氏模量和抗拉强度相比于铝基体分别提升了21%和50%[24]。
图 Figure1(Fig.Figure1)
图 1 “微纳砖砌”复合构型金属基复合材料Fig.1 MMCs with a "brick-and-mortar" architecture进一步围绕复合制备过程中片状基元的可控制备、纳米增强体与金属基元的兼容复合、“微纳砖砌”构型形成与演变规律等关键科学与技术难题，开展了系统研究，构筑了金属基复合材料“微纳砖砌”仿生复合技术原型；并且该复合技术具有较好的普适性，可以推广至其他金属基体，复合构型和组织结构丰富可调，为今后金属基复合材料高强韧化研究提供了新方法(图 2)。
图 Figure2(Fig.Figure2)
图 2 “微纳砖砌”复合——普适性制备技术原型(图中心为自然贝壳珍珠层显微结构)Fig.2 Assembly with "brick-and-mortar" architecture at micro-/nano-scale——a prototype for fabricating composites (the center of the figure is the microstructure of nacre)与此同时，基于“微纳砖砌”复合的制备技术，在纳米增强体与金属基体的兼容复合方面也体现出尺寸相容、形貌相容、表面相容等独特的优势[25]。首先，初始微纳金属片具有二维平面形貌和高比表面积，较商用球形金属粉体可复合更多的纳米增强体；其次，对于控制一维碳纳米管、二维石墨烯等强各向异性的低维纳米增强体，微纳金属片的二维平面形貌更有利于实现其在金属基体中的取向控制，充分发挥其优异的本征力学和功能特性；此外，与传统的高能球磨等复合方法相比，该技术方法利用表面改性技术，使纳米碳的结构与性能在不受破坏的前提下与微纳金属片实现均匀复合，并可减少不利的界面反应，且纳米碳含量灵活可调，实现仿生复合构型与材料组分本征特性的有效耦合，充分发挥纳米碳的增强效益，进而获得优异的综合性能。
2 纳米碳/铜的构型复合多功能化铜及其合金是一类应用最为广泛的结构-功能一体化材料，然而目前已有的高强高导铜基材料难以满足高科技快速发展的需求。复合化是金属材料实现高性能化的有效途径，通过向铜基体中引入高强度、高导电的增强体，如碳纳米管、石墨烯，制备纳米碳/铜基复合材料，为解决这一关键问题提供了可行途径。但是，由于在纳米碳与铜的复合过程中，存在如纳米碳在铜基体中的均匀分散与其结构完整性保持的协同、复合构型以及优良电学接触复合界面的构建等诸多困难，目前已报道的纳米碳/铜基复合材料在结构-功能综合性能、特别是高导电性方面，尚不尽如人意。针对以上关键共性问题，我团队在构型化复合思想的指导下，围绕复合制备、复合构型的形成与演化规律、复合界面相容性设计与调控、复合构型/界面与高强韧/高导电性能耦合响应机制等关键科学问题开展研究，创制了强度-塑韧性-导电性均衡匹配的构型化纳米碳/铜基复合材料。
2.1 仿生构型强韧化在众多强化机制中，晶粒细化是提高金属强度的重要途径。然而，当晶粒尺寸细化到亚微米和纳米量级，金属形变过程中的硬化能力降低，使得强度提高的同时塑/韧性急剧下降，即存在强度-塑/韧性的倒置关系。在构型化复合思想指导下，我团队制备了具有“微纳砖砌”仿生构型的石墨烯增强超细晶铜基复合材料块材，在保持超细晶基体高强度的同时，实现了加工硬化能力与拉伸塑性的显著提升[25]。进一步运用跨尺度组织表征、多重应力弛豫实验、分子动力学模拟等手段研究了形变过程显微组织演变规律、位错动力学行为，发现纳米增强相的引入可通过降低金属的晶界能，克服纳米晶/超细晶金属中位错存储能力不足的“先天缺陷”(图 3)，同时大幅提高位错穿越界面所需的临界分切应力，显著降低相同应变量下位错运动的激活体积，使得界面对位错长程运动的阻碍能力和金属基体的位错存储能力得以提高，从而提出基于金属界面能量调控的强韧化机制[25-26]。
图 Figure3(Fig.Figure3)
图 3 构型复合中石墨烯-铜复合界面高的位错存储能力和不同应变下的位错塞积[25]Fig.3 High capacity of dislocation storage and piled up dislocations under different strain at graphene-copper interface in architectured composite[25]与此同时，“微纳砖砌”构型所具有的板条状晶粒有利于提升位错滑移自由程，进而提高了复合材料拉伸塑性。如图 4(a)~(c)所示，“微纳砖砌”构型对裂纹扩展表现出明显的偏转作用[27]。此外，通过对断口的显微形貌分析，也同时观察到微观尺度增强体对裂纹的桥接，以及细观尺度裂纹尖端大塑性形变，这种多重裂纹钝化机制显著降低了裂纹形核与扩展驱动力，促进复合材料形变均匀化与应力区局域化，进而提升复合材料塑性；通过对宏观样品的单轴拉伸和数字图像关联技术实验分析表明(图 4(d))[28]，与对应基体相比，构型化纳米碳/铜基复合材料更有利于缓解应力集中，揭示出构型金属基复合材料的强韧机制优势。
图 Figure4(Fig.Figure4)
图 4 构型化纳米碳/铜基复合材料的((a)~(c))裂纹偏转[26]和(d)缓解应力集中的韧化机制[27]Fig.4 Toughening mechanism of ((a)~(c)) crack deflection[26] and (d) releasing stress concentration[27] in architectured nanocarbon/copper matrix composites2.2 超高电导石墨烯/铜复合材料与界面高质量的单壁碳纳米管和单层石墨烯都具有较铜更高的电导率，是提高铜材料电导率的理想增强体。通过在铜基体中定向复合单壁碳纳米管，初步验证了在金属基复合材料中获得超高导电性的可行性。然而，由于金属性与半导体性单壁碳纳米管的分离和纯化还极具挑战性，且制备工艺不稳定，所获得的材料性质还不均匀甚至难以重复[29-30]。石墨烯由于其二维平面碳原子层结构，虽然其电导率和结构的关系与碳纳米管不同，但在目前报道的石墨烯和金属复合的方法中，由于：1)复合过程中石墨烯的结构破坏，或为了促进复合在石墨烯中引入丰富官能团和缺陷, 均导致石墨烯本征电导率低；2)强各向异性的二维石墨烯在基体中的取向调控难；3)石墨烯与金属之间界面润湿性差和反应控制难，难以获得优良电学接触复合界面，目前大多研究表明，石墨烯的引入或多或少都会引起金属基体电导率的降低。
针对以上关键问题，我团队基于“微纳砖砌”复合方法，利用铜基体对石墨烯生长的催化作用，在铜片表面原位生长高质量石墨烯，以此为复合基元自组装制备“微纳砖砌”构型化石墨烯/铜基复合材料[31]。由于铜片厚度为亚微米尺度，自组装完成后，石墨烯则在亚微米尺度均匀分散，从而实现石墨烯的结构完整性和均匀分散的协同，而且原位生长的石墨烯与铜基体特定的晶格位相关系和界面结合，有利于实现优良电学接触的复合界面。此外，“微纳砖砌”复合构型使得石墨烯在金属基体中取向分布，充分发挥强各向异性二维石墨烯对强度和电导性能的增强效益。同时，综合“微纳砖砌“复合构型赋予的强韧化效应，最终制备了强度-塑/韧性-导电性能协同的石墨烯/铜复合材料(图 5)。
图 Figure5(Fig.Figure5)
图 5 “微纳砖砌”复合构型对强度-塑/韧性-导电性能的协同效应[31]Fig.5 Synergy of strength-toughness and ductility-electrical conductivity in composites with an architecture of "brick-and-mortar"[31]以上原位生长石墨烯的构型化复合思路，在提高强度和模量的同时，基本保持了基体的延伸率和电导率。在此基础上，我团队进一步开展了关于石墨烯对铜电导率的增强效应与机制研究[32-33]。利用化学气相沉积工艺获得高质量石墨烯/铜箔复合基元，有序堆叠、致密化烧结获得层状结构石墨烯/铜复合材料，实现高质量化学气相沉积石墨烯在铜基体内的高取向排列和优良电学接触的复合界面。宏观四探针电导率分析结果表明，该层状结构石墨烯/铜复合模型材料具有约117% IACS(国际退火铜标准)的高导电性能，显著高于纯铜和银的电导率。导电模式原子力显微镜对纳米尺度电导分析结果表明，石墨烯/铜复合界面微区电流分布峰值平均高出周围铜基体3个数量级(图 6)，意味着复合界面处具有超高的电导率。复合界面位相关系和石墨烯层厚等主要参数的定向调控进一步揭示了复合界面超高电导的影响规律：嵌于Cu(111)基体中，由于石墨烯与Cu(111)之间仅有3%的晶格失配，两者具有相似的晶格匹配与高度的对称性，复合界面导电能力较其他位相关系更高；此外，单层和双层石墨烯具有高的复合界面电导，且随着石墨烯的层数增加，导电能力大幅降低。上述关于石墨烯可以显著提高复合界面以及复合材料电导的结果，为制备高强高导金属基复合材料提供了理论基础和实验参考。
图 Figure6(Fig.Figure6)
图 6 石墨烯-铜复合界面电导的原子力显微镜分析方法(a)和超高导电性能(b)[32]Fig.6 Schematic illustration for graphene-copper interface conductivity by using conducting atomic force microscopy and its ultrahigh interface conductivity[32]2.3 导热与耐腐蚀等功能特性探索石墨烯具有优异导热[34]、耐腐蚀[35-36]等本征功能特性，成为金属基复合材料多功能化的理想增强体。通过“微纳砖砌”构型化复合和石墨烯的原位引入，为探索石墨烯/铜基复合材料的多功能化提供理想的研究对象。
研究结果表明，原位石墨烯/铜基复合材料的“微纳砖砌”构型使得材料的热物理性能表现出较强的各向异性[37]：石墨烯的引入可以显著降低铜基体垂直于面内方向的热膨胀系数，为设计与半导体材料匹配的热膨胀系数提供了可行途径。但是，两个方向的热导率均低于基体材料，可能与石墨烯质量、铜的基体效应对石墨烯热导率的影响有关，需要进一步深入研究。
化学气相沉积石墨烯对提高金属箔片耐腐蚀能力具有很好的作用，但表面复合不能发挥石墨烯对金属的强化作用。在“微纳砖砌”复合过程中，通过石墨烯包覆微纳铜片，所制备的构型化复合材料中, 由于石墨烯对各个铜基体“砖”的保护作用(图 7)，复合材料耐盐雾腐蚀能力最高提高约50%[38]。同时，由于石墨烯的强化作用，复合材料的力学性能也得到显著提高。
图 Figure7(Fig.Figure7)
图 7 耐腐蚀石墨烯/铜基复合材料设计[38]Fig.7 Design of corrosion resistant graphene/copper matrix composite[38]3 结语构型化复合充分拓展了复合材料的可设计性，对高效利用增强体与基体的本征性能，发挥复合效应，实现多种性能的协同提供了新方法，已成为复合材料发展的重要趋势。作为典型示例，纳米碳/金属复合材料的“微纳砖砌”构型多功能化在强度、塑/韧性、导电、导热、耐腐蚀等的协同表现出优势。金属基复合材料的构型多功能化有待在以下方面进一步深入研究：1)多元多尺度复合构型设计；2)启迪自然、以性能为导向的复合构型设计；3)对外场响应的智能化多功能复合材料设计；4)复合构型/界面/基体组织等多重因素与性能的耦合响应机制；5)使役条件下的多性能协同，最终完善构型多功能化研究体系和理论框架。
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