天津大学《JMST》封面：晶内纳米增强铝基复合材料力学及腐蚀行为

第一作者：戎旭东；通讯作者：赵冬冬，何春年

通讯单位：天津大学

DOI:10.1016/j.jmst.2022.12.066

01 全文速览

本工作采用原位固相反应烧结的方法制备了铜纳米颗粒修饰石墨烯纳米片（Cu GNS）增强Al-Zn-Mg复合材料（Cu GNS/Al-Zn-Mg），揭示了晶内纳米增强相对复合材料力学及腐蚀性能的影响机制。研究结果表明，“GNS-Cu/CuAl2-Al”界面结构显著提高了“GNS-Al”的界面结合强度并通过混合颗粒的“牵引效应”提高了界面滑移抗力。晶内分布的Cu GNS增强相不仅提高了复合材料的位错增殖效率，还通过降低腐蚀动力学和抑制局部腐蚀提高了复合材料的腐蚀抗力。

02 研究背景

在交通和航空航天工程应用的推动下，新一代铝基复合材料迫切需要同时具有优异的力学性能和耐腐蚀性。本工作从调控增强相分布组态的设计角度出发，通过固相原位反应制备获得了晶内Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料，阐明了增强相-基体界面结构和增强相分布组态对力学及腐蚀性能的影响规律，为发展具有优异综合性能的铝基复合材料提供了研究思路。

03 本文亮点

（1）“GNS-Cu/CuAl2-Al”界面结构改善了GNS-Al的界面结合强度和界面抗滑移力，从而提高了载荷传递效率。

（2）晶内Cu GNS增强相通过位错强化显著增强了复合材料的加工硬化能力。

（3）晶内Cu GNS增强相通过抑制晶界原电池网络的形成提升了复合材料的腐蚀抗力。

04 图文解析

图1 Cu GNS的（a）SEM和（b）TEM图像；（c）Cu GNS粉末中纳米Cu颗粒的直径分布；（d）~（e）Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料中Cu GNS的晶内分布图像，其中e1~e4是（e）中白色区域C、Mg、Cu、Zn的对应元素分布；Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料中（f）~（g）晶界和（h）~（i）界面特征，其中（f）和（h）是明场TEM图像。

图2 Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料中（a）沉淀相和（b）~（d）界面结构；（e）~（g）Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料在2%应变量下的变形亚结构；（h）~（j）Cu GNS/AA 7075复合材料初始态和2%变形量下的微观组织；（k）Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料和（l）Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料中第二相-位错交互作用示意图。

图3（a）复合材料的工程应力-应变曲线；（b）复合材料的加工硬化率曲线；（c）Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料与已有文献报道的复合材料的力学性能对比。

图4（a）复合材料的失重曲线；（b）~（i）浸渍腐蚀过程中复合材料的表面和截面形貌变化；（j）复合材料的动电位极化曲线；（k）~（l）电化学腐蚀后复合材料的表面形貌。

图5 复合材料的（a）Nyquist和（b）Bode图；（c）复合材料的腐蚀机制示意图；（d）Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料与已有文献报道的复合材料的腐蚀性能对比。

05 结论展望

本文研究了基于固相原位反应制备的晶内Cu GNS/Al-Zn-Mg复合材料的力学及腐蚀行为，揭示了固相原位反应在实现增强相-基体牢固界面结合和增强相晶内分布方面的关键作用，阐明了晶内纳米增强相在提升复合材料力学性能和腐蚀抗力方面的作用机理，研究结果为设计和发展新一代高性能铝基复合材料提供了理论借鉴。

06 课题组简介

天津大学纳米及复合材料课题组学术带头人赵乃勤教授为首批“万人计划”国家级教学名师获得者、天津大学讲席教授；课题组负责人何春年教授为天津大学材料学院副院长、国家杰出青年基金获得者。课题组在金属及金属基复合材料领域深耕二十余年，共荣获天津市自然科学一等奖2次（2010年，2022年），近五年在Prog.Mater.Sci.,Nat.Commun.,Adv.Mater.,Acta Mater.,Scr.Mater.等学术期刊发表相关SCI检索论文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.