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

DOI: 10.1016/j.jmst.2022.12.066

01 全文速覽

本工作采用原位固相反應燒結的方法制備了銅納米顆粒修飾石墨烯納米片（Cu@GNS）增強Al-Zn-Mg復合材料（Cu@GNS/Al-Zn-Mg），揭示了晶內納米增強相對復合材料力學及腐蝕性能的影響機制。研究結果表明，“GNS-Cu/CuAl2-Al”界面結構顯著提高了“GNS-Al”的界面結合強度并通過混合顆粒的“牽引效應”提高了界面滑移抗力。晶內分布的Cu@GNS增強相不僅提高了復合材料的位錯增殖效率，還通過降低腐蝕動力學和抑制局部腐蝕提高了復合材料的腐蝕抗力。

02 研究背景

在交通和航空航天工程應用的推動下，新一代鋁基復合材料迫切需要同時具有優異的力學性能和耐腐蝕性。本工作從調控增強相分布組態的設計角度出發，通過固相原位反應制備獲得了晶內Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料，闡明了增強相-基體界面結構和增強相分布組態對力學及腐蝕性能的影響規律，為發展具有優異綜合性能的鋁基復合材料提供了研究思路。

03 本文亮點

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

（2）晶內Cu@GNS增強相通過位錯強化顯著增強了復合材料的加工硬化能力。

（3）晶內Cu@GNS增強相通過抑制晶界原電池網絡的形成提升了復合材料的腐蝕抗力。

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復合材料中Cu@GNS的晶內分布圖像，其中e1~e4是（e）中白色區域C、Mg、Cu、Zn的對應元素分布；Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料中（f）~（g）晶界和（h）~（i）界面特征，其中（f）和（h）是明場TEM圖像。

圖2 Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料中（a）沉淀相和（b）~（d）界面結構；（e）~（g）Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料在2%應變量下的變形亞結構；（h）~（j）Cu@GNS/AA 7075復合材料初始態和2%變形量下的微觀組織；（k）Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料和（l）Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料中第二相-位錯交互作用示意圖。

圖3 （a）復合材料的工程應力-應變曲線；（b）復合材料的加工硬化率曲線；（c）Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料與已有文獻報道的復合材料的力學性能對比。

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

圖5 復合材料的（a）Nyquist和（b）Bode圖；（c）復合材料的腐蝕機制示意圖；（d）Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料與已有文獻報道的復合材料的腐蝕性能對比。

05 結論展望

本文研究了基于固相原位反應制備的晶內Cu@GNS/Al-Zn-Mg復合材料的力學及腐蝕行為，揭示了固相原位反應在實現增強相-基體牢固界面結合和增強相晶內分布方面的關鍵作用，闡明了晶內納米增強相在提升復合材料力學性能和腐蝕抗力方面的作用機理，研究結果為設計和發展新一代高性能鋁基復合材料提供了理論借鑒。

06 課題組簡介

天津大學納米及復合材料課題組學術帶頭人趙乃勤教授為首批“萬人計劃”國家級教學名師獲得者、天津大學講席教授；課題組負責人何春年教授為天津大學材料學院副院長、國家杰出青年基金獲得者。課題組在金屬及金屬基復合材料領域深耕二十余年，共榮獲天津市自然科學一等獎2次（2010年，2022年），近五年在Prog. Mater. Sci., Nat. Commun., Adv. Mater., Acta Mater., Scr. Mater.等學術期刊發表相關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.