第一作者：戎旭東；通訊作者：趙冬冬，何春年

通訊單位：天津大學(xué)

DOI:10.1016/j.jmst.2022.12.066

01 全文速覽

本工作采用原位固相反應(yīng)燒結(jié)的方法制備了銅納米顆粒修飾石墨烯納米片（Cu GNS）增強(qiáng)Al-Zn-Mg復(fù)合材料（Cu GNS/Al-Zn-Mg），揭示了晶內(nèi)納米增強(qiáng)相對(duì)復(fù)合材料力學(xué)及腐蝕性能的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明，“GNS-Cu/CuAl2-Al”界面結(jié)構(gòu)顯著提高了“GNS-Al”的界面結(jié)合強(qiáng)度并通過(guò)混合顆粒的“牽引效應(yīng)”提高了界面滑移抗力。晶內(nèi)分布的Cu GNS增強(qiáng)相不僅提高了復(fù)合材料的位錯(cuò)增殖效率，還通過(guò)降低腐蝕動(dòng)力學(xué)和抑制局部腐蝕提高了復(fù)合材料的腐蝕抗力。

02 研究背景

在交通和航空航天工程應(yīng)用的推動(dòng)下，新一代鋁基復(fù)合材料迫切需要同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性。本工作從調(diào)控增強(qiáng)相分布組態(tài)的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過(guò)固相原位反應(yīng)制備獲得了晶內(nèi)Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料，闡明了增強(qiáng)相-基體界面結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)相分布組態(tài)對(duì)力學(xué)及腐蝕性能的影響規(guī)律，為發(fā)展具有優(yōu)異綜合性能的鋁基復(fù)合材料提供了研究思路。

03 本文亮點(diǎn)

（1）“GNS-Cu/CuAl2-Al”界面結(jié)構(gòu)改善了GNS-Al的界面結(jié)合強(qiáng)度和界面抗滑移力，從而提高了載荷傳遞效率。

（2）晶內(nèi)Cu GNS增強(qiáng)相通過(guò)位錯(cuò)強(qiáng)化顯著增強(qiáng)了復(fù)合材料的加工硬化能力。

（3）晶內(nèi)Cu GNS增強(qiáng)相通過(guò)抑制晶界原電池網(wǎng)絡(luò)的形成提升了復(fù)合材料的腐蝕抗力。

04 圖文解析

圖1 Cu GNS的（a）SEM和（b）TEM圖像；（c）Cu GNS粉末中納米Cu顆粒的直徑分布；（d）~（e）Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料中Cu GNS的晶內(nèi)分布圖像，其中e1~e4是（e）中白色區(qū)域C、Mg、Cu、Zn的對(duì)應(yīng)元素分布；Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料中（f）~（g）晶界和（h）~（i）界面特征，其中（f）和（h）是明場(chǎng)TEM圖像。

圖2 Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料中（a）沉淀相和（b）~（d）界面結(jié)構(gòu)；（e）~（g）Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料在2%應(yīng)變量下的變形亞結(jié)構(gòu)；（h）~（j）Cu GNS/AA 7075復(fù)合材料初始態(tài)和2%變形量下的微觀組織；（k）Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料和（l）Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料中第二相-位錯(cuò)交互作用示意圖。

圖3（a）復(fù)合材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；（b）復(fù)合材料的加工硬化率曲線(xiàn)；（c）Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料與已有文獻(xiàn)報(bào)道的復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比。

圖4（a）復(fù)合材料的失重曲線(xiàn)；（b）~（i）浸漬腐蝕過(guò)程中復(fù)合材料的表面和截面形貌變化；（j）復(fù)合材料的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)；（k）~（l）電化學(xué)腐蝕后復(fù)合材料的表面形貌。

圖5 復(fù)合材料的（a）Nyquist和（b）Bode圖；（c）復(fù)合材料的腐蝕機(jī)制示意圖；（d）Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料與已有文獻(xiàn)報(bào)道的復(fù)合材料的腐蝕性能對(duì)比。

05 結(jié)論展望

本文研究了基于固相原位反應(yīng)制備的晶內(nèi)Cu GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料的力學(xué)及腐蝕行為，揭示了固相原位反應(yīng)在實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)相-基體牢固界面結(jié)合和增強(qiáng)相晶內(nèi)分布方面的關(guān)鍵作用，闡明了晶內(nèi)納米增強(qiáng)相在提升復(fù)合材料力學(xué)性能和腐蝕抗力方面的作用機(jī)理，研究結(jié)果為設(shè)計(jì)和發(fā)展新一代高性能鋁基復(fù)合材料提供了理論借鑒。

06 課題組簡(jiǎn)介

天津大學(xué)納米及復(fù)合材料課題組學(xué)術(shù)帶頭人趙乃勤教授為首批“萬(wàn)人計(jì)劃”國(guó)家級(jí)教學(xué)名師獲得者、天津大學(xué)講席教授；課題組負(fù)責(zé)人何春年教授為天津大學(xué)材料學(xué)院副院長(zhǎng)、國(guó)家杰出青年基金獲得者。課題組在金屬及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域深耕二十余年，共榮獲天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)2次（2010年，2022年），近五年在Prog.Mater.Sci.,Nat.Commun.,Adv.Mater.,Acta Mater.,Scr.Mater.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表相關(guān)SCI檢索論文100余篇。

07 引用本文

Xudong Rong,Yue Li,Xiaofeng Chen,Xiang Zhang,Dongdong Zhao,Chunnian He,Chunsheng Shi,Naiqin Zhao,Achieving high mechanical properties and corrosion resistance of Al-Zn-Mg matrix composites via regulating intragranular reinforcements,J.Mater.Sci.Technol.153(2023)1–7.