編輯推薦：金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度-延性權(quán)衡是其工程應(yīng)用的關(guān)鍵。本文提出了一種新策略以實現(xiàn)納米碳-鋁復(fù)合材料強(qiáng)塑性組合。該策略利用納米碳結(jié)構(gòu)設(shè)計，將多壁碳納米管（CNTs）縱向展開成石墨烯納米帶（GNRs）。大長寬比的晶內(nèi)Al4C3和晶間GNR有效地提高了位錯存儲和加工硬化能力，形成了GNR/Al的強(qiáng)延性協(xié)同效應(yīng)。同時，由致密界面Al4C3固定的GNR通過裂紋橋接、鈍化和偏轉(zhuǎn)引入額外的增韌效應(yīng)。

高強(qiáng)度和高延展性對于開發(fā)下一代金屬基復(fù)合材料至關(guān)重要，而它們總是基于位錯運(yùn)動而相互矛盾。由于熱處理過程中釘扎力較小，遷移率較高，短CNTs容易分散到超細(xì)Al晶粒內(nèi)部。長碳納米管和二維石墨烯通常更喜歡位于晶界（GB）處，這將顯著減少甚至完全消除復(fù)合材料的Orowan增強(qiáng)和晶粒內(nèi)部的位錯儲存。

受此啟發(fā)，天津大學(xué)等單位的研究者提出了一種在Al基復(fù)合金屬（AMC）材料中同時引入晶內(nèi)碳化物和晶間納米碳的新策略，其具有納米碳結(jié)構(gòu)與原位固相反應(yīng)的穩(wěn)健界面。通過石墨化碳納米管的縱向拉伸合成了一種新型GNR增強(qiáng)體，該增強(qiáng)體被用于增強(qiáng)AMC，表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延性組合。相關(guān)論文以題“Regulating microstructure of Al matrix composites with nanocarbon architecture design towards prominent strength-ductility combination”發(fā)表在《Scripta Materialia》。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115037

圖1 (a)原始CNTs，(b)CNTs的高度分布，(c)GNR，(d)GNR的高度分布。(e-f)Al基體中CNT和GNR的HRTEM。(g-h)CNT/Al和GNR/Al的晶粒結(jié)構(gòu)。

GNR邊緣完全暴露石墨棱鏡平面并富含納米缺陷，提高它們的化學(xué)活性，增加Al-C間擴(kuò)散或通過觸發(fā)Al-C界面反應(yīng)來促進(jìn)GNR-Al相互作用，有助于GNR/Al界面的結(jié)合。此外強(qiáng)GNR-Al界面將促進(jìn)變形應(yīng)變過程中的界面-位錯相互作用，并且大縱橫比的平面GNR可以通過抑制晶界（GB）遷移更有效地細(xì)化晶粒。

圖2 納米碳/Al復(fù)合材料的界面反應(yīng):(a-c)CNT/Al;(d-g)GNR/Al。(h-k)顯示GNR/Al中Al4C3和Al取向關(guān)系的反FFT圖

少量的晶間Al4C3更偏向沿著ED對齊，由于大尺寸Al4C3導(dǎo)致熱失配加劇，在Al4C3-Al界面附近產(chǎn)生了高強(qiáng)度的壓應(yīng)力，在晶界處觀察到一些Al4C3層錯這與Al4C3的正常堆垛順序相反。而納米級Al4C3有效地避免了應(yīng)力集中，從而降低了Al4C3的脆性，納米級Al4C3尺寸還會產(chǎn)生Orowan強(qiáng)化。因此，納米尺寸的Al4C3和Al4C3-Al界面都可以作為位錯源和位錯障礙，有效地增加了位錯的積累和增殖。在GNR/Al中發(fā)現(xiàn)了Al4C3與Al之間的多個特定取向關(guān)系(ORs)說明在GNR/Al中Al4C3的形成是通過“非均相成核-生長”模式。共格/半共格Al4C3-Al界面有效地降低了界面能量，提高界面鍵合，有利于減少晶格/彈性模量失配，提高協(xié)調(diào)變形能力。此外，共格/半共格較高密度的納米Al4C3界面加上尺寸將發(fā)揮強(qiáng)大的釘扎效應(yīng)。

圖3 a)材料工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)GNR/Al與報道中復(fù)合材料的性能比較

圖4 (a-d)復(fù)合材料的斷口面(g-h)拉伸試驗后GNR/Al和CNT/Al中Al4C3-Al界面的TEM觀察(i)和(j)顯微組織和增強(qiáng)增韌效果示意圖。

優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用，與其他納米碳鋁復(fù)合材料的力學(xué)性能相比進(jìn)一步顯現(xiàn)出來。細(xì)晶強(qiáng)化增強(qiáng)，晶內(nèi)納米尺寸的Al4C3，引入Orowan強(qiáng)化以及通過納米碳結(jié)構(gòu)設(shè)計提高負(fù)載傳遞強(qiáng)化有助于高強(qiáng)度。此外，晶粒內(nèi)Al4C3大長徑比的晶間GNR將顯著促進(jìn)位錯-加固相互作用，提高位錯存儲能力，對提高GNR/Al的加工硬化能力和延性至關(guān)重要。GNR-Al界面與跨晶Al4C3的強(qiáng)界面結(jié)合可以通過裂紋橋接、鈍化和撓曲產(chǎn)生額外的增韌效果。在斷裂過程中會消耗更多的能量并延遲縮頸。

綜上所述，采用多壁CNTs縱向壓縮合成的GNR用于增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性組合。GNR/Al的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用主要?dú)w因于晶粒細(xì)化、晶內(nèi)/界面納米尺寸的Al4C3和GNR的大縱橫比。與在CNT-Al界面形成大尺寸外延Al4C3相反，通過“異相形核-生長”模式形成的Al4C3與Al形成特定的ORs來保證GNR/Al中較強(qiáng)的界面內(nèi)聚力，界面Al4C3釘扎的GNR增強(qiáng)了荷載傳遞強(qiáng)化。強(qiáng)韌可能是通過裂紋橋接、鈍化和偏轉(zhuǎn)進(jìn)行的。此外，晶粒內(nèi)Al4C3大縱橫比的晶間GNR可以增加GNR/Al的位錯存儲和加工硬化能力。這項工作強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計對于優(yōu)化微結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)MMC的強(qiáng)度-延性權(quán)衡的重要性。（文：曉太陽）