传统铝基复合材料（AMCs）及高强度铝合金在高温环境下易因铝基体的动态回复与再结晶出现显著强度衰减，现有AMCs在350°C时抗拉强度多低于106MPa，难以满足高温工况对材料性能的需求。近日多伦多大学研究人员受钢筋混凝土（RC）结构中骨料增强水泥提供抗压性、钢筋提供抗拉性的协同性能启发，通过结合增材制造与微铸造技术，将 RC 结构理念应用于铝基复合材料设计，开发出钢筋混凝土型铝基复合材料（RC-AMCs），以解决传统 AMCs 高温强度不足的问题。该研究结果以“Achieving improved mechanical performance in aluminum matrix composites with rebar-reinforced concrete-inspired structures”为题被发表在期刊《Nature Communications》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65234-9

【核心内容】

RC-AMCs以AlSi7Mg为基体，集成亚毫米级Ti6Al4V支架、微米级Al₃Ti颗粒及纳米级析出相，借助 Al₃Ti（D0₂₂结构）在高温下的异常热孪生效应抑制高温软化，实现室温屈服强度达537-710MPa，400°C时抗压屈服强度高达938MPa、比强度235 kN・m/kg，500°C时仍保持 335MPa 屈服强度。同时通过模型精准预测材料力学响应，为高温轻量化工程材料的结构材料一体化设计提供新范式。

【研究方法】

该研究采用选区激光熔化（SLM）技术打印Ti6Al4V支架，在800°C真空微铸造和进行时效处理。采用CT、SEM和TEM分析微观结构，并对力学性能进行测试，通过UCP、ULC模型分别预测应力-应变关系与失效强度。

【研究成果】

① 材料开发

该研究成功研发出了以AlSi7Mg为基体，集成亚毫米级Ti6Al4V支架、8.4±2.7μm的微米级Al₃Ti颗粒及纳米级AlSi₃Ti₆和硅化物析出相的钢筋混凝土型铝基复合材料（RC-AMCs），孔隙率<0.5vol%，界面缺陷最小化。

铝基复合材料（AMC）中的钢筋混凝土启发结构

② 力学性能显著提升

RC-AMCs在室温下屈服强度达537-710MPa，而纯AlSi7Mg基体仅103MPa，强度提升了5-7倍。400°C时抗压屈服强度高达938MPa，比强度达235 kN・m/kg，均为现有铝基合金与复合材料中的最高值之一，且500°C时屈服强度仍保持335MPa。拉伸性能上，室温与400°C拉伸屈服强度分别为629MPa和371MPa，且Al₃Ti断裂韧性随温度略有提升，Ti6Al4V/AlSi7Mg界面进一步保障材料服役完整性。

RC-AMCs的抗压强度

③ 核心强化机制突破

Al₃Ti的异常热孪生效应是RC-AMCs高温抗软化的关键。Al₃Ti具有D0₂₂晶体结构，其孪生行为随温度升高而增强。当温度从25°C升至400°C时，Al₃Ti孪生体积分数从3.8%提升到了5.0%，同时位错密度从0.8×10¹⁶ m⁻²降低为0.7×10¹⁶ m⁻²，有效抑制了铝基体高温下的动态回复与再结晶。

RC-AMCs 在室温下变形的微观结构

RC-AMCs 在高温下的变形特征和微观结构

RC-AMCs的多尺度变形机理

Al3Ti的异常热孪生行为和孪生机制

④ 性能预测与模拟

研究建立UCP模型精准预测应力-应变关系，通过ULC模型预测失效强度，结合宏观FEM、微观FEM及LAMMPS分子动力学模拟，明确了材料变形与强化机理。

RC-AMCs为避免高强-轻量化权衡问题的预测、优化和开发

【总结与展望】

该研究受钢筋混凝土结构的启发，通过3D打印和微铸造技术相结合，开发出了钢筋混凝土型铝基复合材料（RC-AMCs），该材料能够通过多尺度增强结构与Al₃Ti的异常热孪生效应，有效缓解高温下的强度衰减，为高温轻量化工程材料提供新路径。