通过添加MgO@GNPs（氧化镁@石墨烯纳米颗粒）来强化铝基复合材料的晶界和晶内结构，从而同时提升了其强度和延展性

《Journal of Alloys and Compounds》：Simultaneously enhanced strength and ductility of aluminum matrix composites by MgO@GNPs enhanced grain boundary and intragranular strengthening

均匀内嵌增强铝基复合材料研究 通过表面修饰MgO的石墨烯纳米片（GNPs）与熔融铝实现优异润湿性，结合超声振动铸造与热挤压工艺调控晶界迁移和再结晶，形成GNPs在铝晶粒内的均匀分布。该策略同步提升材料强度（249 MPa）和延展性（16%），突破传统增强方式强度-韧性矛盾。

　　

黄兆伟|陈建超|严宏

南昌大学先进制造学院，中国南昌330031

摘要

本研究针对石墨烯纳米片（GNPs）增强铝基复合材料（AMCs）中存在的分散不均匀、界面润湿性差以及强度-延展性权衡等关键问题，提出了一种新的晶内分布强化策略。通过水热合成在GNPs表面制备纳米MgO涂层（MgO@GNPs），随后经过球磨、超声振动铸造和热挤压工艺，实现了MgO@GNPs在Al晶粒内的均匀分布。结果表明，MgO改性显著提高了GNPs与熔融Al之间的润湿性，有效抑制了颗粒团聚。在热挤压过程中，MgO@GNPs促进了基体的广泛再结晶，并与晶界（GBs）的迁移机制协同作用，最终形成了晶内分布模式。MgO@GNPs与GBs的协同作用不仅增强了材料的强度，还实现了有效的载荷传递。这种多机制的协同效应使材料的断裂模式从简单的拔出型转变为混合型桥接断裂。因此，该复合材料实现了优异的强度（249 ± 7.1 MPa）和延展性（16 ± 1.8%）平衡。这一策略克服了传统增强方式的局限性，为设计高性能AMCs提供了新的思路。

引言

随着工业对轻质材料需求的不断增加，铝基复合材料（AMCs）由于其低密度和高比强度而成为工程材料领域的研究热点[1]。目前的AMCs增强体系主要包括陶瓷颗粒[1]、[2]、晶须[3]以及碳基材料[4]、[5]、[6]、[7]。其中，石墨烯纳米片（GNPs）因其超高的模量（约1 TPa）、抗拉强度（130 GPa）等优异性能，被认为是AMCs中最理想的增强材料之一[8]、[9]。

现有研究主要通过球磨[10]、[11]、[12]、高能超声[13]、[14]和摩擦搅拌处理[15]等工艺来实现GNPs的均匀分布。同时，研究人员也致力于改善GNPs与Al基体之间的不连续界面，以提高载荷传递效率[16]、[17]、[18]。这些方法虽然取得了一定成果，但受GNPs与Al基体之间固有的润湿性差的限制，难以实现GNPs在基体中的均匀分布。此外，由于界面反应对时间、温度和反应产物尺寸等参数的敏感性，精确控制界面反应以调节GNPs-Al界面仍面临巨大挑战[19]、[20]。

强度-延展性平衡一直是AMCs性能优化的核心瓶颈[21]。为了解决这一问题，研究人员提出了晶内强化策略，该策略通过将增强相嵌入晶粒内部来扩大强化空间，并在陶瓷颗粒增强体系中取得了显著成功。例如，刘等人通过将纳米氧化物颗粒引入钼合金晶粒中，同时提高了材料的强度和延展性[22]。白团队的研究也证实了晶内强化策略的有效性[23]。然而，GNPs独特的二维结构及其与Al的弱界面结合导致它们倾向于在晶界（GBs）处聚集。尽管这种GBs钉扎效应可以增强材料强度[19]，但GBs处的应力集中会导致延展性急剧下降[24]。尽管有些研究报道了GNPs在Al晶粒中的部分嵌入，但大多数GNPs在晶粒内的分布仍然有限。因此，由于难以制造出具有均匀微观结构的可控复合材料，实现预期的显著强化和增韧效果仍然具有挑战性。

在近期研究中，球磨是实现GNPs晶内分布的重要方法。韩等人利用分段球磨工艺制备了具有优异韧性的GNPs增强AMCs[8]。然而，还需要进一步研究GNPs对晶内强化的贡献，特别是考虑基体氧化和Cu元素引入等因素。刘等人通过控制球磨过程来调节碳纳米管（CNTs）的尺寸，实现了CNTs在AMCs中的晶内分布[25]。曹等人通过控制球磨过程中的工艺参数，调整了Al粉末中CNTs的位置，也实现了CNTs的晶内分布[11]。然而，过度依赖球磨来实现增强相的晶内分布存在明显缺点：一方面，长时间的高能球磨会严重破坏CNTs结构，且精确控制CNTs尺寸和混合粉末状态技术难度较大；另一方面，长时间的高能球磨会在Al基体中引入大量应变，不利于后续材料加工。此外，高能球磨和粉末冶金的高成本也给大规模工业应用带来了障碍。因此，开发新的GNPs晶内分布技术，以制备兼具高强度和高延展性的AMCs，将是突破当前性能瓶颈的关键方向。

在本研究中，我们提出了一种新的晶内GNPs强化策略。通过对MgO@GNPs分布演变和MgO@GNPs/Al复合材料微观结构的系统研究，揭示了晶内MgO@GNPs分布的机制及其强化贡献。与以往依赖长时间高能球磨将GNPs强行嵌入Al晶粒、导致GNPs损伤和基体过应变的研究不同，本工作仅使用低能球磨进行预分散。通过调节界面润湿性，首先在铸造过程中实现了MgO@GNPs在Al熔体中的均匀分布；随后在热挤压变形过程中，通过诱导Al基体的动态再结晶（DRX）和晶界迁移，实现了MgO@GNPs的晶内分布。GBs钉扎、载荷传递和晶内空间强化的协同效应显著提升了复合材料的性能。这种多机制协同作用使MgO@GNPs/Al复合材料在强度和延展性方面实现了同步提升，突破了传统增强方式的性能瓶颈。

材料与方法

原材料

本研究使用商用级高纯度1050Al锭（Al ≥ 99.5%，东莞鸿利铝业有限公司）作为基体。增强材料为成都中国科学院有机化学研究所制备的GNPs（厚度≤10 nm，直径<10 μm）。

MgO@GNPs粉末的制备

MgO@GNPs采用超声辅助溶剂热法制备。首先，将GNPs超声分散在无水乙醇和去离子水的混合溶剂中（体积比1:1），持续4小时；随后...

MgO@GNPs的微观结构

图2a展示了GNPs、前驱体Mg(OH)?以及表面改性的MgO@GNPs的XRD图谱，测量范围为10°–80°。26.8°和54°处的特征峰分别对应GNPs的(002)和(004)晶面。前驱体样品在18.6°、38.0°、50.8°、58.6°和62.0°处显示出Mg(OH)?的衍射峰，分别对应其(001)、(101)、(102)、(110)和(111)晶面。经过煅烧处理后，Mg(OH)?的衍射峰...

结论

本研究通过在水热辅助方法下在GNPs表面制备纳米级MgO涂层，并结合超声振动铸造和热挤压工艺，成功制备出了具有晶内分布增强相的MgO@GNPs/Al复合材料。主要研究结果如下：

(1)

表面改性显著提高了GNPs与铝基体之间的润湿性，促进了...

作者贡献声明

黄兆伟：撰写原始稿件、开展研究、提出概念。严宏：提供指导并负责资金争取。陈建超：制定研究方法并进行数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（51965040）和江西省研究生创新专项基金（YC2022-B018）的财政支持。