【摘 要】
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作为最常见的颗粒增强铝基复合材料,Al/4H-SiC和Al/α-Al2O3复合材料具有良好的力学性能,然而其界面反应和结合强度对于力学性能影响的机制还不清楚。因此,本文利用第一性原理计算研究了Al（111）/4H-SiC（0001）和Al（111）/α-Al2O3（0001）界面体系的结构、结合强度及成键特征等性质,并分析了界面产物和掺杂调控对界面结合和力学性能影响的微观机制。界面反应会直接影响复
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作为最常见的颗粒增强铝基复合材料,Al/4H-SiC和Al/α-Al2O3复合材料具有良好的力学性能,然而其界面反应和结合强度对于力学性能影响的机制还不清楚。因此,本文利用第一性原理计算研究了Al（111）/4H-SiC（0001）和Al（111）/α-Al2O3（0001）界面体系的结构、结合强度及成键特征等性质,并分析了界面产物和掺杂调控对界面结合和力学性能影响的微观机制。界面反应会直接影响复合材料的界面结合,进而对其力学性能产生影响。对于Al/4H-SiC界面反应及力学性能的计算中,发现C终端界面的结合明显强于Si终端的。其中形成类似于Al4C3相的Al/C界面结合强度最高;而Al/Si界面中由于表层Si原子的偏聚倾向导致其最弱的界面结合。第一性原理拉伸试验的研究表明,C终端界面的拉伸性能明显好于Si终端的,其极限拉伸强度提高了2.62GPa,延伸率增加了2%。由于Al/C界面处类Al4C3相的产生会对基体Al和SiC颗粒间产生良好的联接作用,这有利于载荷的传递。而对于Al/Si界面而言,由Si元素的偏聚倾向而产生的空位会明显降低材料的拉伸性能。利用界面掺杂调控是研究并改善界面结合和力学性能的有效手段。在Al/α-Al2O3体系的界面调控和力学性能研究中,发现最稳定的Al/Al2O3界面包括OT堆叠下的Al（111）晶面和单Al终端的Al2O3（0001）晶面,电子结构分析表明相互作用主要是离子键,且包含少量的共价特征。对拉伸性能的计算发现Al/Al2O3界面的临界应变为18%,极限拉伸强度为7.37 GPa。界面掺杂调控的分析表明黏附功或界面能与拉伸性能之间没有直接的关系。结合电子结构分析,提出了界面本征强化机制,即掺入的合金元素将使电荷在界面处重新分布,具有更均匀电荷分布的界面体系表现出更加优异的力学性能。研究结果对金属基复合材料的设计和开发具有指导意义。
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