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Al-Zn-Mg復(fù)合材料（Cu@GNS/Al-Zn-Mg），揭示了晶內(nèi)納米增強相對復(fù)合材料力學及腐蝕性能的影響機制。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)合強度并通過混合顆粒的“牽引效應(yīng)”提高了界面滑移抗力。晶內(nèi)分布的Cu@GNS增強相不僅提高了復(fù)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(fù)合材料的腐蝕抗力。

在交通和航空航天工程應(yīng)用的推動下，新一代鋁基復(fù)合材料迫切需要同時具有優(yōu)異的力學性能和耐腐蝕性。本工作從調(diào)控增強相分布組態(tài)的設(shè)計角度出發(fā)，通過固相原位反應(yīng)制備獲得了晶內(nèi)Cu@GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料，闡明了增強相-基體界面結(jié)構(gòu)和增強相分布組態(tài)對力學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。

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

（2）晶內(nèi)Cu@GNS增強相通過位錯強化顯著增強了復(fù)合材料的加工硬化能力。

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

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；（b）復(fù)合材料的加工硬化率曲線；（c）Cu@GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料與已有文獻報道的復(fù)合材料的力學性能對比。

圖4 （a）復(fù)合材料的失重曲線；（b）~（i）浸漬腐蝕過程中復(fù)合材料的表面和截面形貌變化；（j）復(fù)合材料的動電位極化曲線；（k）~（l）電化學腐蝕后復(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)合材料的腐蝕機制示意圖；（d）Cu@GNS/Al-Zn-Mg復(fù)合材料與已有文獻報道的復(fù)合材料的腐蝕性能對比。

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)合材料的力學及腐蝕行為，揭示了固相原位反應(yīng)在實現(xiàn)增強相-基體牢固界面結(jié)合和增強相晶內(nèi)分布方面的關(guān)鍵作用，闡明了晶內(nèi)納米增強相在提升復(fù)合材料力學性能和腐蝕抗力方面的作用機理，研究結(jié)果為設(shè)計和發(fā)展新一代高性能鋁基復(fù)合材料提供了理論借鑒。

天津大學納米及復(fù)合材料課題組學術(shù)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(fù)合材料領(lǐng)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(shù)期刊發(fā)表相關(guān)SCI檢索論文100余篇。