藺春發(fā)，顏浩然，施 浩，韓雨薔，闕慶華，姚家琛，尤道廣

(常熟理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

1 前 言

開發(fā)新型高強(qiáng)韌金屬材料是結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的重要方向，而同時(shí)提升材料的強(qiáng)度和韌性是材料發(fā)展的主要難題之一。人們?cè)谘芯刻烊回悮r(shí)發(fā)現(xiàn)，其獨(dú)特的疊層結(jié)構(gòu)使貝殼兼具高強(qiáng)度和良好的韌性[1]。鑒于此，研究人員以貝殼為仿生模板，設(shè)計(jì)并制備了一系列具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料(metal-intermetallic-laminate composites，MILCs)。相比于傳統(tǒng)合金，這種新型MILCs具有更強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和更高的使用溫度。近30年來，科研人員針對(duì)MILCs開展了大量的研究工作，涉及Ti-Al[2-4]、Ni-Al[5, 6]、Fe-Al[7, 8]和Ti-Cu[9]等多種金屬間化合物體系。其中，Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料兼具高比強(qiáng)度、高比模量、良好的韌性、抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕及抗高溫氧化等優(yōu)異性能，在航空航天、海工裝備、汽車、電子等領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[10-15]。然而，金屬間化合物Al3Ti存在室溫韌、塑性低和脆性大等問題，使Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料加工受限，阻礙其大范圍應(yīng)用。目前，改善金屬間化合物及MILCs韌性的主要方法是借助復(fù)合強(qiáng)韌化理念，將連續(xù)纖維引入到金屬間化合物層中，獲得纖維增強(qiáng)的金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料(fiber-reinforced MILCs，F(xiàn)R-MILCs)[16, 17]。研究人員已經(jīng)嘗試將陶瓷纖維、金屬纖維、合金纖維等連續(xù)增強(qiáng)體加入到Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料中，探究纖維對(duì)FR-MILCs的強(qiáng)韌化效果和相關(guān)機(jī)制，并分析不同類型增強(qiáng)纖維對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)和功能特性的影響規(guī)律。

本文首先回顧了Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的主要合成方法，并著重探討了真空熱壓燒結(jié)和超聲波固結(jié)輔助熱壓燒結(jié)技術(shù)制備FR-MILCs的工藝過程和優(yōu)缺點(diǎn)，隨后具體介紹了陶瓷纖維、金屬纖維和形狀記憶合金纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的組織演變規(guī)律、力學(xué)性能和功能特性及不同纖維的強(qiáng)韌化機(jī)制，最后對(duì)FR-MILCs的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 制備工藝

傳統(tǒng)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料可通過箔冶金法制得，該方法已經(jīng)十分成熟，主要采用放電等離子燒結(jié)[18, 19]、熱壓擴(kuò)散復(fù)合[20-22]、軋制復(fù)合[23-25]、爆炸焊接[26, 27]、超聲波固結(jié)[28]等技術(shù)完成冶金過程。在這些技術(shù)中，適用于合成FR-MILCs的方法主要有兩種：真空熱壓燒結(jié)法(一步法)和超聲波固結(jié)輔助熱壓燒結(jié)法(兩步法)，這兩種方法均是以箔-纖維-箔疊層為基礎(chǔ)，通過箔材之間的元素?cái)U(kuò)散反應(yīng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合。

2.1 真空熱壓燒結(jié)技術(shù)

真空熱壓燒結(jié)技術(shù)是合成金屬基復(fù)合材料、金屬疊層材料、塊體合金的重要手段之一。采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料通常是以Ti箔、Al箔和連續(xù)纖維為原材料，將經(jīng)過打磨-清洗-烘干處理的金屬箔材和經(jīng)清洗-烘干處理的纖維(束狀陶瓷纖維需先經(jīng)熱處理分散，金屬/合金纖維需先打磨去氧化皮)交疊排列，其中纖維平鋪在箔材表面，兩端固定于箔材邊緣[29]。隨后將疊合的箔材/纖維放入熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般控制在650～660 ℃左右。在此溫度區(qū)間內(nèi)，Al為液相，Ti、Al之間發(fā)生如下擴(kuò)散反應(yīng)：Ti(s)+Al(l)→Al3Ti(s)，在層間界面處生成金屬間化合物Al3Ti相[30]。此時(shí)，纖維在新形成的Al3Ti固相及界面應(yīng)力作用下被推向Al相中心，并在Al相被完全反應(yīng)后，留存于金屬間化合物層中心位置。最終，形成了Ti層和Al3Ti層交疊排列、緊密結(jié)合，同時(shí)纖維分布于Al3Ti層中心面上的FR-MIL結(jié)構(gòu)[31]。具體工藝過程如圖1所示。

圖1 真空熱壓燒結(jié)法制備纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的工藝過程[31]Fig.1 Schematic illustration of the fabrication process of fiber-reinforced Ti/Al3Ti laminate composite via vacuum hot pressing sintering[31]

作為目前制備纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料最主要的方法，真空熱壓燒結(jié)技術(shù)具有眾多優(yōu)勢(shì)。一方面，通過調(diào)控原始箔材的成分、厚度、層厚比及纖維的種類、數(shù)量、排列方式，可輕松獲得具有不同組織結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)的FR-MILCs，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，甚至可以用來合成單相金屬間化合物塊體[32]以及纖維增強(qiáng)金屬間化合物[33]、顆粒增強(qiáng)Ti/Al3Ti等復(fù)合材料[34]，應(yīng)用范圍廣。另一方面，該方法還具有操作簡單(一步法)、原材料箔材來源廣、環(huán)保無污染、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)。但該方法仍存在一些不足，如束絲陶瓷纖維需要預(yù)先熱處理以分散纖維，而這樣會(huì)造成纖維性能的損傷；手工鋪放纖維效率低，均勻性差；連接纖維與箔材所用膠體會(huì)引入一些雜質(zhì)，影響材料的結(jié)構(gòu)和性能；熱壓制備的復(fù)合材料塊體多為直板，合成或加工成曲面結(jié)構(gòu)較困難。

2.2 超聲波固結(jié)輔助熱壓燒結(jié)技術(shù)

超聲波固結(jié)是一種利用超聲波能量進(jìn)行金屬材料焊接的快速成形技術(shù)，是合成金屬疊層材料的重要手段之一。早期的超聲波固結(jié)技術(shù)主要用于Al等塑性良好、易冶金結(jié)合的同種金屬材料的連接，如Al3003箔材[35, 36]。隨著大功率超聲波設(shè)備的出現(xiàn)，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于異種金屬疊層的連接，如Al/Ti[37, 38]、Al/Cu[39, 40]等。以通過超聲波固結(jié)技術(shù)合成的Al/Ti疊層為預(yù)制體，通過后續(xù)熱壓處理促進(jìn)Ti和Al之間的擴(kuò)散反應(yīng)，可進(jìn)一步制備Ti/Al3Ti 層狀復(fù)合材料[28]。可見，超聲波固結(jié)技術(shù)同樣可以作為一種層狀復(fù)合材料預(yù)成型方法。

此外，超聲波固結(jié)技術(shù)已在制備纖維增強(qiáng)金屬疊層材料方面得到應(yīng)用，如Cf/Al[41]、NiTif/Al[42]等。其原理是通過對(duì)疊放的金屬箔材料和纖維施加一定的壓力和超聲波能量，使金屬箔材在發(fā)生大量塑性變形的同時(shí)，束狀纖維可以均勻分散并被包裹在層間界面處，形成以機(jī)械結(jié)合為主、并伴有少量元素?cái)U(kuò)散的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其過程如圖2所示[43]。而通過該方法獲得的纖維均布金屬帶材同樣可作為制備FR-MILCs的預(yù)制體。以連續(xù)陶瓷纖維均布Ti/Al復(fù)合帶材為預(yù)制體，通過真空熱壓燒結(jié)過程可制備出陶瓷纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti 層狀復(fù)合材料[44, 45]。這種超聲波固結(jié)輔助熱壓燒結(jié)技術(shù)制備FR-MILCs有兩大優(yōu)勢(shì)：一方面，在超聲波作用下，束狀纖維分散均勻，且層間結(jié)合緊密，有利于熱壓過程中擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行；另一方面，殘留在纖維均布帶材中的超聲波能量能夠加快其在熱壓燒結(jié)時(shí)的反應(yīng)速度，提高生產(chǎn)效率。

圖2 超聲波固結(jié)輔助熱壓燒結(jié)技術(shù)制備纖維增強(qiáng)金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料的工藝流程圖[43]：(a) 超聲波固結(jié)合成纖維均布帶材，(b) 熱壓燒結(jié)過程Fig.2 Schematic illustration of manufacturing fiber-reinforced metal-intermetallic-laminate composites (FR-MILCs) by two steps[43]: (a) Ti/Al laminate tape containing continuous fibers prepared by ultrasonic consolidation, (b) hot pressing sintering process

3 纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti材料體系

目前，用于制備纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的連續(xù)纖維主要包括高強(qiáng)度陶瓷纖維、高韌性金屬纖維和形狀記憶合金纖維，可以將制備的復(fù)合材料分為3類：陶瓷纖維增強(qiáng)金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料(CFR-MILCs)、金屬纖維增強(qiáng)金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料(MFR-MILCs)和形狀記憶合金纖維增強(qiáng)金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料(SMAFR-MILCs)。

3.1 陶瓷纖維增強(qiáng)MILCs

3.1.1 組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陶瓷纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)勢(shì)，是目前用于TiAl系金屬間化合物強(qiáng)韌化領(lǐng)域最主要的增強(qiáng)材料[46, 47]，如SiC纖維、C纖維和Al2O3纖維等。在CFR-MILCs中，陶瓷纖維總是聚集在金屬間化合物層中心面上，也是Al相反應(yīng)耗盡的位置[31]，而該中心面上往往會(huì)聚集一些雜質(zhì)和缺陷，且從橫截面觀察呈一條線狀，被稱為“中心線”缺陷，如圖3所示。受其影響，增強(qiáng)纖維與金屬間化合物基體界面結(jié)合強(qiáng)度往往不高，纖維強(qiáng)韌化效果難以全面發(fā)揮[48]。因此，探究CFR-MILCs纖維/基體界面及整個(gè)中心面區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法具有重要意義。

圖3 SiCf-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的典型橫截面形貌[48]Fig.3 Representative transverse micrographs of SiCf-Ti/Al3Ti laminatecomposites[48]

Vecchio等[49]在制備Al2O3纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料時(shí)，通過控制原始箔材厚度使過量Al相保留于金屬間化合物層中心區(qū)域，同時(shí)Al2O3纖維分布于Al相內(nèi)，避免了中心線的形成及其對(duì)纖維/基體界面的影響。然而，Al相的存在造成了復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度的降低，同時(shí)纖維與Al3Ti分離，并未對(duì)Al3Ti起到強(qiáng)韌化效果。與此不同，Han等[29, 48]利用熱等靜壓及熱處理方法分別對(duì)Al2O3f-Ti/Al3Ti和SiCf-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料進(jìn)行了高溫后處理，進(jìn)而促進(jìn)纖維/金屬間化合物界面的擴(kuò)散反應(yīng)以形成冶金結(jié)合。這種冶金結(jié)合界面能夠有效傳遞載荷，發(fā)揮纖維的強(qiáng)韌化效果。然而，高溫處理在一定程度上損傷了復(fù)合材料各組元的性能。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在制備CFR-MILCs過程中，同時(shí)鋪放NiTi合金絲和陶瓷纖維，由于NiTi中雙元素與Al的反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純Ti，可阻礙氧化物等雜質(zhì)在金屬間化合物中心面的聚集，消除了中心線缺陷，并獲得了結(jié)合良好的纖維/基體界面[50, 51]。其優(yōu)勢(shì)是操作簡單，不需要后續(xù)熱處理，組元性能不受影響；不足之處是NiTi的使用提高了生產(chǎn)成本，引入了密度較高的Al3Ni相，使材料組織結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。Lin等[52]則采用添加擴(kuò)散阻礙層(Ti箔)的方法成功地將SiC纖維與中心線分離，獲得了界面結(jié)合良好的SiCf/Al3Ti結(jié)構(gòu)。該方法不影響復(fù)合材料的成本、密度、強(qiáng)度和剛度等重要參數(shù)，但并未消除金屬間化合物中心線缺陷，僅適用于纖維/基體界面的優(yōu)化，存在一定的局限性。綜上可知，仍需探索更合適的制備工藝或處理技術(shù)來進(jìn)一步改善CFR-MILCs纖維/基體界面結(jié)合，并消除中心線缺陷。

3.1.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)及模擬研究

科研人員在CFR-MILCs力學(xué)行為研究方面開展了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真模擬工作。Jiao等[45]對(duì)Cf-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果表明，沿著纖維軸向加載時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率明顯高于無纖維增強(qiáng)的Ti/Al3Ti材料，但兩種材料的壓縮性能并沒有明顯區(qū)別，即碳纖維的引入有效提升了復(fù)合材料的拉伸性能。Han等[29, 49]以Al2O3f-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料為研究對(duì)象進(jìn)行了系統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過Al2O3纖維的脫粘和拔出及其對(duì)脆性裂紋的阻礙和偏轉(zhuǎn)等作用，復(fù)合材料的強(qiáng)度和斷裂韌性均可得到一定程度的提升，而纖維發(fā)揮強(qiáng)韌化作用的基礎(chǔ)是良好的結(jié)合界面及適度的界面結(jié)合強(qiáng)度。同樣，研究人員發(fā)現(xiàn)SiCf-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮失效應(yīng)變、斷裂伸長率、斷裂韌性等性能均比加入SiC纖維前的Ti/Al3Ti材料更加優(yōu)越[31, 48]。另外，Liu等[53-55]以等效夾雜數(shù)值算法為基礎(chǔ)，通過模擬剛性球侵徹SiCf-Ti/Al3Ti材料靶板早期接觸過程，研究了準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下CFR-MILCs的小變形彈塑性接觸力學(xué)行為，建立了準(zhǔn)確有效的數(shù)值模型，如圖4所示。相關(guān)研究結(jié)果指出，球-面加載時(shí)，SiC纖維能夠顯著改善復(fù)合材料的強(qiáng)度。

圖4 SiCf-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料半解析模型示意圖[54]：(a) 包含Ti層層狀分布和多個(gè)SiC纖維非均勻柱狀分布特點(diǎn)的基本接觸模型，(b) 考慮SiC纖維周圍孔洞缺陷的材料模型放大截面Fig.4 Schematic diagram of the semi-analytical model for SiCf-Ti/Al3Ti laminate composite[54]: (a) basic contact model containing a layered inhomogeneity of Ti layer and multiple cylindrical inhomogeneities of SiC fibers, (b) magnified cross section of the material model considering the hole defects around the SiC fibers

3.2 金屬纖維增強(qiáng)MILCs

現(xiàn)階段對(duì)MFR-MILCs的研究還比較淺顯，主要集中在金屬纖維與Al之間的反應(yīng)規(guī)律及復(fù)合材料力學(xué)性能方面。如Qi等[56]對(duì)Wf-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料制備過程中的擴(kuò)散反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)W纖維僅與Al之間發(fā)生了一定的相互擴(kuò)散，形成了二元鎢鋁固溶體。Chang等[57]研究發(fā)現(xiàn)，Mof-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料由交疊排列、緊密結(jié)合的Ti層和金屬間化合物層(主要為Al3Ti相)組成，Mo纖維分布于金屬間化合物層中心面附近，且與Al相反應(yīng)生成了一系列的金屬間化合物(Al8Mo3、Al4Mo、Al5Mo及Al12Mo)，如圖5所示，這與Li等[58]的研究結(jié)果大體相同。此外，還發(fā)現(xiàn)由于Mo纖維的優(yōu)異性能及其強(qiáng)韌化行為，Mof-Ti/Al3Ti材料比Ti/Al3Ti具有更高的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率。

圖5 Mof-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)[57]：(a,b)Mo纖維與Al的反應(yīng)過程示意圖，(c)Mof/Al3Ti界面區(qū)域顯微形貌Fig.5 Microstructures of Mof-Ti/Al3Ti laminate composite[57]: (a,b) schematic diagram of reaction process between Mo fiber and Al phase, (c) microstructure of Mof/Al3Ti interface area

3.3 形狀記憶合金纖維增強(qiáng)MILCs

新型SMAFR-MILCs是以形狀記憶合金NiTi纖維為增強(qiáng)體的高強(qiáng)韌、高阻尼層狀復(fù)合材料[59]。這種復(fù)合材料由Ti層和組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬間化合物層組成，NiTi纖維位于金屬間化合物層中心面位置，且該位置不存在中心線缺陷，如圖6a所示。金屬間化合物層主要由比鄰Ti層的Al3Ti單相薄層、Al3Ti+Al3Ni雙相混合層及接近纖維的Al3Ti+Al3Ni雙相混合區(qū)組成。事實(shí)上，在燒結(jié)過程中NiTi纖維率先與Al發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，Ni-Al和Ti-Al雙擴(kuò)散偶的耦合擴(kuò)散行為是雙相混合區(qū)形成的主要原因，由于Ni-Al擴(kuò)散速率明顯高于Ti-Al擴(kuò)散速率，所以不同雙相混合區(qū)的形貌產(chǎn)生了明顯的差異，Ti箔與Al的反應(yīng)相對(duì)滯后且反應(yīng)速度慢，所以在近Ti層形成的單相Al3Ti層較薄[60]。

圖6 NiTif-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料[59, 60]：(a) 微觀結(jié)構(gòu)，(b) XRD圖譜，(c) 阻尼因子-溫度曲線Fig.6 The microstructure (a), XRD pattern (b) and damping factor-temperature curve (c) of NiTif-Ti/Al3Ti laminate composite[59, 60]

研究發(fā)現(xiàn)，NiTif-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料具有良好的綜合力學(xué)性能[61, 62]。相比于Ti/Al3Ti材料，加入NiTi纖維后，復(fù)合材料的塑性和斷裂韌性明顯提升，同時(shí)強(qiáng)度基本保持不變?？梢?，NiTi纖維具有良好的韌化效果。另外，受益于NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性特征，NiTif-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料獲得了優(yōu)異的阻尼性能，如圖6c所示，其阻尼因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無纖維增強(qiáng)的Ti/Al3Ti材料[59]。即SMAFR-MILCs是一種極具應(yīng)用潛力的新型結(jié)構(gòu)功能一體化材料，既可以用作結(jié)構(gòu)件，又可以作為減振降噪的功能材料使用。

圖7 FR-MILCs中纖維增韌機(jī)制示意圖: (a) 裂紋偏轉(zhuǎn), (b) 纖維拔出、脫粘及橋連行為Fig.7 Schematic diagram of fiber toughening behavior in FR-MILCs: (a) crack deflection, (b) the pullout, debonding and bridging behavior of fibers

4 FR-MILCs中纖維的增韌機(jī)制

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，除了突出的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度外，還具有優(yōu)異的斷裂韌性。下面將對(duì)FR-MILCs中連續(xù)纖維的增韌行為進(jìn)行詳細(xì)闡述。在CFR-MILCs中，陶瓷纖維與金屬間化合物基體之間形成結(jié)合強(qiáng)度適宜的冶金反應(yīng)界面，如SiCf-Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料中，SiCf/Al3Ti界面反應(yīng)產(chǎn)物主要是Ti或Al的碳化物、硅化物等。當(dāng)復(fù)合材料受到沿纖維軸向的拉伸載荷作用或垂直于纖維軸向的壓縮載荷時(shí)，陶瓷纖維都會(huì)受到沿軸向的拉應(yīng)力作用。由于陶瓷纖維具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體的抗拉強(qiáng)度，將作為承擔(dān)載荷的主體，大多數(shù)載荷通過結(jié)合良好的界面從基體傳至纖維，從而提升復(fù)合材料的強(qiáng)度。此外，當(dāng)金屬間化合物基體中產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展到纖維/基體界面區(qū)時(shí)，會(huì)發(fā)生界面脫粘、纖維拔出、纖維斷裂、裂紋橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)等效應(yīng)(如圖7所示)，從而提高了裂紋擴(kuò)展阻力，延長了裂紋擴(kuò)展的距離，減緩了裂紋的擴(kuò)展速率，推遲材料完全斷裂的發(fā)生并吸收更多的斷裂能，進(jìn)而提升材料的韌性。對(duì)于MFR-MILCs和SMAFR-MILCs而言，金屬及形狀記憶合金纖維均具有良好的延展性，其加入有利于復(fù)合材料的協(xié)調(diào)變形和塑性提升。另外，纖維與金屬間化合物基體之間形成了極為緊密的冶金結(jié)合界面，能夠有效地傳遞載荷，發(fā)揮纖維的強(qiáng)韌化效果。事實(shí)上，復(fù)合材料受到外加載荷作用時(shí)，裂紋首先會(huì)在脆性的金屬間化合物相中形核，隨后逐漸長大、擴(kuò)展，當(dāng)這些裂紋到達(dá)纖維/基體界面區(qū)時(shí)，由于連續(xù)纖維的存在，會(huì)產(chǎn)生明顯的裂紋橋連和偏轉(zhuǎn)，致使局部應(yīng)力重分布，使脆性裂紋鈍化，進(jìn)而提高裂紋擴(kuò)展難度，裂紋若要進(jìn)一步生長則需要重新形核，從而消耗更多的能量，提高了復(fù)合材料的韌性。

5 結(jié) 語

連續(xù)纖維增強(qiáng)Ti/Al3Ti金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐沖擊和良好的韌性，有望在輕型戰(zhàn)車、坦克防彈裝甲、武裝直升機(jī)領(lǐng)航員座椅方面得到廣泛應(yīng)用；此外，這種層狀復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和減振降噪的功能特性，將在汽車減震器、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及熱交換器等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。隨著研究的深入，纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)的Ti/TiAl、Ti/Ti3Al等金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料備受關(guān)注[63-65]。目前，纖維增強(qiáng)金屬-金屬間化合物層狀復(fù)合材料(FR-MILCs)的研究中仍然存在一些關(guān)鍵科學(xué)問題亟待解決，如降低成本、提高效率、實(shí)現(xiàn)應(yīng)用等。因此，該領(lǐng)域未來應(yīng)著重發(fā)展以下方向。

(1)優(yōu)化FR-MILCs的制備工藝，并開發(fā)能夠有效解決金屬間化合物脆性造成的復(fù)合材料機(jī)加工和曲面成形困難的新的凈成形工藝，推動(dòng)該類復(fù)合材料的工程實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。

(2)針對(duì)FR-MILCs體系多、組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題，結(jié)合反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論，通過深入研究復(fù)合材料的界面擴(kuò)散反應(yīng)規(guī)律和成形機(jī)理，達(dá)到精確控制材料結(jié)構(gòu)和性能的目標(biāo)。

(3)大力發(fā)展FR-MILCs設(shè)計(jì)—制備—加工—服役全過程的仿真模擬工作，建成準(zhǔn)確有效的復(fù)合材料模型和計(jì)算模型，指導(dǎo)復(fù)合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用，降低研究和生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。