強(qiáng)度和韌性的“倒置關(guān)系”是長(zhǎng)期以來(lái)制約金屬基復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸難題。在傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料中，硬脆的陶瓷增強(qiáng)體的引入雖然能夠提高復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度，但將導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)變局域化和應(yīng)力集中，進(jìn)而造成復(fù)合材料塑韌性的大幅降低。如何才能打破金屬基復(fù)合材料強(qiáng)-韌性倒置關(guān)聯(lián)的桎梏，魚(yú)與熊掌兼得？其解決方法之一，就是采用同時(shí)兼具優(yōu)異本征力學(xué)性能和可變形能力的新型增強(qiáng)體材料。形狀記憶陶瓷（shape memory ceramics, SMCs）就是一類(lèi)典型的可變形增強(qiáng)體，不僅具備良好的本征模量和強(qiáng)度，在溫度場(chǎng)或力場(chǎng)作用下，還能夠發(fā)生四方相<->單斜相的可逆馬氏體相變，并由此產(chǎn)生約10%的晶格應(yīng)變（Science 341, 1505-1508, 2013）。

在此背景下，研究團(tuán)隊(duì)選用形狀記憶陶瓷-純鋁復(fù)合材料[鈰摻雜氧化鋯(cerium-doped zirconia, CZ)/鋁(Al)]作為模型材料，通過(guò)制備過(guò)程中的溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合，獲得了含有完全奧氏體化CZ增強(qiáng)體的復(fù)合材料。進(jìn)而通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，在復(fù)合材料微柱中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)60%的增強(qiáng)體發(fā)生馬氏體相變。而在隨后的400℃退火過(guò)程中，馬氏體（單斜相）發(fā)生反馬氏體相變，恢復(fù)到四方相結(jié)構(gòu)。結(jié)合旋進(jìn)電子衍射技術(shù)（precession electron diffraction, PED）和高分辨X射線顯微成像(X-ray microscopy, XRM)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中形狀記憶陶瓷顆粒發(fā)生可逆相變來(lái)源于鋁基體對(duì)顆粒的有效束縛、良好的增強(qiáng)體/基體界面載荷傳遞效率、陶瓷顆粒與金屬基體的協(xié)同變形能力，以及陶瓷顆粒在金屬基體內(nèi)的三維網(wǎng)狀/力鏈構(gòu)型對(duì)載荷傳遞的促進(jìn)作用。

?該進(jìn)展發(fā)現(xiàn)了在金屬基復(fù)合材料中形狀記憶陶瓷具備可逆相變能力，驗(yàn)證了采用相變陶瓷對(duì)于解決金屬基復(fù)合材料“強(qiáng)-韌性倒置”這一瓶頸難題的可行性。從結(jié)構(gòu)承載的角度，相比于傳統(tǒng)不可變形的增強(qiáng)體，形狀記憶陶瓷相變引起的晶格應(yīng)變能夠協(xié)調(diào)增強(qiáng)體-基體的變形，將外力做功迅速耗散到整個(gè)材料，避免應(yīng)力集中。同時(shí)，通過(guò)陶瓷的相變，進(jìn)一步耗散彈性應(yīng)變能，在強(qiáng)化復(fù)合材料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)相變?cè)鲰g。在輕質(zhì)金屬基復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)陶瓷的可逆相變，將進(jìn)一步拓寬這類(lèi)材料在智能傳感、驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

本研究特別感謝南洋理工大學(xué)Zehui Du博士和上海交通大學(xué)金學(xué)軍教授的討論，以及上海交通大學(xué)劉煜博士、劉煜旸博士和彭億飛博士提供的實(shí)驗(yàn)支持。本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目 (52192595) 、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3705704）等項(xiàng)目的資助。