上海交大巴黎卓越工程师学院陈汉副教授、钟圣怡教授在《Acta Materialia》发表重要成果

近日，上海交通大学巴黎卓越工程师学院钟圣怡教授、陈汉副教授团队在国际权威期刊《Acta Materialia》发表题为“Sub-monolayer interface complexion to achieve significantly strength-ductility enhancement in aluminum matrix composite”的研究论文。该研究针对金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）长期存在的“增强强度必然牺牲塑性”的强塑性协同难题，提出了一种基于亚单层界面复合层（Sub-monolayer Interface Complexion, SMIC）调控的新型界面工程策略，实现了增强颗粒/铝基体界面的原子尺度完全共格化设计，突破了传统金属基复合材料强度与塑性难以兼顾的瓶颈。陈汉副教授为第一作者，钟圣怡教授、陈哲教授为共同通讯作者。

研究背景

金属基复合材料通过引入陶瓷增强颗粒能够显著提升材料强度和刚度，在航空航天、先进制造等领域具有重要应用价值。然而，增强颗粒与金属基体之间通常存在晶格失配和弱结合界面，在变形过程中容易产生应变集中和界面裂纹，导致材料塑性下降，形成长期存在的强度–塑性倒置关系。

针对这一关键科学问题，研究团队以TiB₂颗粒增强铝基复合材料为模型体系，通过第一性原理计算筛选界面调控元素，发现Sc、Zr元素能够在TiB₂/Al界面发生选择性偏聚，诱导形成亚纳米尺度界面复合层。该界面结构能够将传统高失配非共格TiB₂/Al界面转变为原子尺度完全共格界面（Completely-Coherent Interface, CCI），显著提升界面结合稳定性，并促进位错跨界面传递。

基于该策略构筑的SMIC增强TiB₂/Al复合材料，实现了强度和塑性的同步提升：相比未增强合金，屈服强度提高约44%，延伸率提高约53%，其塑性水平接近纯铝，并超过绝大多数传统铝合金及铝基复合材料。该研究为下一代高性能轻质复合材料的界面原子尺度设计提供了新的理论基础和技术路径。

▲本文的graphical abstract, 系统展示“传统界面 → SMIC界面设计 → 强塑性协同提升”的完整逻辑

成果创新点

提出亚单层界面复合层（SMIC）设计理念，实现异质界面的原子尺度重构

研究首次提出利用溶质元素偏聚形成亚单层界面复合层，通过调控界面局域结构，实现增强颗粒与金属基体之间原子排列连续化。该策略突破了传统界面工程主要依赖界面反应层或第二相调控的方式，实现了从“界面强化”到“界面设计”的理念转变。

建立基于第一性原理的界面元素筛选方法，实现精准界面设计

研究采用密度泛函理论计算，建立了界面能、形成能以及界面结合功三个关键评价指标，对周期表中37种候选元素进行系统筛选，最终确定Sc和Zr作为最佳界面调控元素，为复合材料界面设计提供了理论指导。

实现高失配非共格界面向完全共格界面的转变

通过先进透射电子显微表征（TEM）发现，Sc/Zr元素在TiB₂颗粒表面形成亚单层界面结构，使原本存在大量错配位错的TiB₂/Al界面转变为连续原子排列结构，实现原子尺度完全共格界面。同时，该界面有效降低局部应变集中，提高界面稳定性。

团队介绍

钟圣怡教授、陈汉副教授团队长期围绕高性能金属材料设计、先进表征与智能制造开展研究，聚焦先进铝合金、金属基复合材料及复杂工程结构材料中的关键科学问题，发展“从原子尺度机制认知到工程应用设计”的新材料研发方法。团队融合人工智能、高通量计算与大科学装置多尺度先进表征技术，探索“数据驱动与物理机理融合的材料设计—计算预测—实验验证—性能优化”闭环研发模式。

团队依托上海交通大学巴黎卓越工程师学院、中子科学与技术全国重点实验室和材料科学与工程学院等科研平台，建立了涵盖第一性原理计算、机器学习辅助材料设计、同步辐射/中子测试以及原子尺度电子显微表征的多尺度研究体系，致力于揭示材料成分、界面结构、缺陷演化与宏观性能之间的内在关联，推动人工智能赋能新材料研发。

近年来，团队围绕高性能轻质结构材料中的界面调控、组织优化和强韧化机制开展系列研究，提出了面向原子尺度界面设计的新策略，发展了计算模拟与实验表征相结合的材料创新方法，为突破传统材料设计效率和性能协同提升瓶颈提供了新的技术路径。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645426006348

作者： 陈汉 供稿单位： 巴黎卓越工程师学院