导读

介绍了仿生学微结构方面的最新进展，以阐明微结构设计实践。回顾了钛基复合材料（TMC）中通过刻意定制增强体空间分布以提高性能而开发的微结构，解决了粉末冶金制备的钛合金基复合材料周围极端脆性的关键问题，使其具有优异的延展性，显著增强了室温和高温下的强化效果，以获得更高的抗拉强度和使用温度。对细观结构的研究工作进行了概览，以验证微结构设计的必要性。

几个世纪以来，科学家一直在进行研究开发“更强、更硬、更轻质和更耐热”的材料。过去50年，基体材料中，尤其是非连续金属基复合材料（DMMC）中寻求增强体均匀分布已在世界范围内达成共识。其中，具有广泛基体材料和陶瓷增强体的双金属基复合材料得到了快速发展。

DMMC可以结合金属特性，如优异的延展性、韧性、成形性和良好的热导率和导电性，以及陶瓷特性，如高硬度、强度、模量、高温耐久性和低热膨胀性。因此，与相应的单片基体材料相比，DMMC有望表现出更高的比强度、比刚度、耐磨性、热稳定性和高温耐久性。这些优势使其成为航空航天和汽车行业关键应用的潜在候选。

尽管其具有许多优势，例如提高的比强度、刚度和优异的耐磨性，但具有均匀微观结构的DMMC往往表现出非常低的室温损伤容限，即便使用高韧性基体材料。因此，DMMC的应用尚未满足高要求和低成本条件，其在工业上的广泛应用仍然受到强度提高有限和损伤容限严重降低的限制。

为了挖掘DMMC的潜在特性，哈尔滨工业大学黄陆军教授课题组于《Progress in Materials Science》发表了题为“Microstructurally inhomogeneous composites: Is a homogeneous reinforcement distribution optimal?”的综述，对Al、Mg、Cu、Fe、Co和TiAl基体中成功开发的特定细观结构展开了系统的研究。此外，还专注于过去为改善性能而刻意定制DMMC内增强体空间分布的研究工作，以进一步扩展成功经验，增强对微观结构和性能关系的全面理解。

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文中表明，增强体之间必须有足够的塑性区域来钝化或偏转裂纹以增韧DMMC。沿此思路，在理论分析的辅助下，成功设计和制造了钛基复合材料（TMCs）中原位增强TiB晶须（TiBw）的网络分布，其中定制的三维（3D）准连续网络微观结构显著改善了力学性能，这解决了粉末冶金制造的TMC附近的脆性问题。正是较大的增强体倾斜区域通过承受应变、钝化裂纹和降低裂纹扩展速率，从而显著提高了复合材料的延性。该方法开辟了DMMCs研究和应用的新领域，并引申到一般多相复合材料中，以加强物理力学性能。

文中表明，增强体之间必须有足够的塑性区域来钝化或偏转裂纹以增韧DMMC。沿此思路，在理论分析的辅助下，成功设计和制造了钛基复合材料（TMCs）中原位增强TiB晶须（TiBw）的网络分布，其中定制的三维（3D）准连续网络微观结构显著改善了力学性能，这解决了粉末冶金制造的TMC附近的脆性问题。正是较大的增强体倾斜区域通过承受应变、钝化裂纹和降低裂纹扩展速率，从而显著提高了复合材料的延性。该方法开辟了DMMCs研究和应用的新领域，并引申到一般多相复合材料中，以加强物理力学性能。

多长度和多尺度的结构在开拓性能的优越组合方面非常有效。然而，创建真正的多尺度体系结构的尝试相对较少，关键在于实现单个相位的预期连续性和空间分布，尤其是在较小的尺度上。双连续微结构为开发具有真正多功能特性的材料提供了可能性，即每一相都为复合材料的宏观特性贡献其自身的特性。寻求最佳结构和结构参数有助于系统地了解微观结构和性能之间的关系，并再次指导微观结构设计，以进一步提高性能。可以确定的是，在不同水平上定制微观结构以满足特定的工程应用或显著改善性能组合将创造一类新型多相材料。

虽然未来难以展望，但毫无疑问，生产“设计性复合材料”的可能性将越来越大，其中微观结构已实现定制以创造理想的性能。显然，更好地理解微观结构和宏观性能之间的联系是至关重要的。

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