背景介紹

金屬基復合材料（MMC）因其綜合了金屬相的延展性和增強相的高強度、高硬度等特性，在耐磨減摩領域具有較大應用潛力。傳統的MMC硬質涂層主要通過提高增強相的含量來提高涂層的硬度和耐磨性，然而由于兩相間理化性質差異較大，涂層內易產生較大的熱應力或相變應力，導致涂層韌性下降，裂紋敏感性升高。與傳統表面改性技術相比，激光熔覆（LC）使用高能激光束作為熱源，涂層形成過程迅速，有利于獲得細晶組織，降低涂層開裂敏感性。此外，石墨烯（Gr）因具有特殊的二維結構與優異的熱學性能、力學性能以及自潤滑性能，將其作為增強相加入金屬基體中，可以形成多尺度結構涂層，在提升涂層硬度、改善減摩耐磨性能的同時，提高涂層的斷裂韌性。因此本文以采用激光熔覆法制備石墨烯增強鈦基、鎳基、鈷基復合涂層為主線，系統綜述了石墨烯對金屬基復合涂層微觀組織演變和摩擦學性能的影響，并歸納總結了石墨烯的減摩耐磨機理，提出LC加工制備Gr/MMC涂層過程中現存的若干難點，對其進一步研究和發展進行了展望，以期為后續相關研究和實際應用提供有益參考。

論文亮點工作總結

石墨烯的減摩耐磨機理

采用LC法制備Gr/MMC涂層，即利用原位合成的方法生成多尺度結構涂層，通過二維石墨烯和原位生成的碳化物顆粒的協同作用，共同提高復合涂層的硬度、強度及摩擦學性能，并且保證涂層韌性基本不變或僅略微下降。

本文從宏觀和微觀兩個維度對石墨烯的減摩耐磨機理進行歸納，具體為：細晶強化，彌散強化，位錯強化，石墨烯對裂紋的偏轉、橋接等增韌效果，載荷轉移機制和涂層表面潤滑膜的形成。

結束語

目前激光熔覆法制備石墨烯增強金屬基復合材料（Gr/MMC）涂層的研究已取得一定進展，但加工過程中仍存在以下難點：石墨烯易在涂層偏析，影響性能均勻性；激光高溫易破壞其二維結構，削弱增強效果；激光參數、石墨烯添加量與涂層性能優化關聯復雜，導致周期長、成本高。

未來研究將雙管齊下。借助機器學習，結合數值模擬與實驗，從微觀層面揭示石墨烯改性機理，為涂層優化提供理論支撐；優化石墨烯與金屬粉末混合工藝，研發新表面改性方法，提升石墨烯留存率與和基體的相容性。

團隊介紹

中南林業科技大學材料表界面科學與技術湖南省重點實驗室團隊（負責人劉秀波老師），長期聚焦于材料表界面結構與性能調控、表面涂層制備技術等關鍵研究方向，是省內乃至國內在該領域較具影響力的科研力量。近5年承擔國家自然科學基金、國家重點研發計劃子課題、中央軍委基礎計劃加強重點基礎研究等國家級和省部級項目40余項；與湖南省冶金材料研究院有限公司、湖南碳谷控股集團有限公司等多家企業建立了產學研合作關系，已有10項科研成果轉讓。發表學術論文500余篇，其中SCI/EI論文320多篇，授權發明專利100余件。獲湖南省自然科學二等獎、湖南省科技進步二等獎、湖南省專利三等獎和中國鋼結構協會技術創新獎等多項科技獎勵。