金屬基復(fù)合材料以金屬為基體，引入陶瓷顆粒、纖維等結(jié)合成新型材料，在航空、航天、軍工、電子等領(lǐng)域日益得到廣泛應(yīng)用。但是由于金屬和陶瓷之間存在較大的熱膨脹系數(shù)差異（如銅和碳化硅的熱膨脹系數(shù)之比約為4:1），當(dāng)溫度變化時(shí)，兩者的熱收縮不一致將導(dǎo)致熱應(yīng)力和微觀缺陷的產(chǎn)生，對(duì)復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能產(chǎn)生重大影響。這是金屬基復(fù)合材料中的基礎(chǔ)問題，也是非常復(fù)雜的問題，長期以來受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。

　　日前，廣東省科學(xué)院新材料研究所（以下簡(jiǎn)稱省科學(xué)院新材料所）聯(lián)合湖南大學(xué)，以碳化硅顆粒增強(qiáng)銅金屬基復(fù)合材料(Cu/SiCp)為研究對(duì)象，使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬其降溫處理過程。研究發(fā)現(xiàn)，降溫過程金屬基體中的位錯(cuò)密度演化經(jīng)歷了難以形核、快速生成和緩慢發(fā)展三個(gè)主要階段。Cu基體中形成復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，其中Shockley不全位錯(cuò)占主要比例，其次是stair rod位錯(cuò)（圖1）；且在顆粒周圍的基體還形成多種不同尺寸的不完整層錯(cuò)四面體(Incomplete stacking fault tetrahedron，ISFT)（圖2）。位錯(cuò)等微觀缺陷的形成受到降溫時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力、高溫時(shí)金屬中存在較高的空位濃度以及金屬強(qiáng)度較低等因素的協(xié)同作用。高度穩(wěn)定的stair rod位錯(cuò)以及ISFT會(huì)阻礙金屬基體塑性變形的進(jìn)一步發(fā)展。微觀缺陷是在接近金屬熔點(diǎn)的較高溫度下（如1000-1200K）迅速形成的，這可能對(duì)復(fù)合材料加工制備過程中微觀缺陷形成的控制有指引意義。

圖1 圍繞增強(qiáng)體顆粒周圍形成的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)

圖2 圍繞增強(qiáng)體顆粒周圍形成的不完整層錯(cuò)四面體

　　研究還發(fā)現(xiàn)，金屬基復(fù)合材料中的熱殘余應(yīng)力和熱誘導(dǎo)微觀缺陷對(duì)其力學(xué)行為存在顯著影響。經(jīng)過降溫處理的復(fù)合材料在力學(xué)性質(zhì)上存在壓縮/拉伸不對(duì)稱性，殘余缺陷在微觀演化上也表現(xiàn)出壓縮/拉伸不對(duì)稱性。在拉伸和壓縮過程的應(yīng)力上升階段，Shockley不全位錯(cuò)密度均增加，而stair rod位錯(cuò)的密度都減少（圖3）。從微觀角度看，stair rod位錯(cuò)分解為較高能量的Shockley不全位錯(cuò)，會(huì)對(duì)復(fù)合材料起到增強(qiáng)作用，為復(fù)合材料強(qiáng)化的微觀機(jī)制提供一種可能的解釋。

圖3 拉伸和壓縮加載下Shockley位錯(cuò)和stair rod位錯(cuò)密度的演化

　　該工作得到了廣東省科學(xué)院建設(shè)國內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動(dòng)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2021GDASYL-20210103102)等項(xiàng)目資助，相關(guān)研究成果發(fā)表于《Journal of Materials Science & Technology》（1區(qū)Top）和《Journal of Alloys and Compounds》，省科學(xué)院新材料所熊永南博士為論文第一作者，湖南大學(xué)胡望宇教授和省科學(xué)院新材料所鄭開宏教授為共同通訊作者。

（省科學(xué)院新材料所/供稿）