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受此啟發(fā)，天津大學(xué)等單位的研究者提出了一種在Al基復(fù)合金屬（AMC）材料中同時(shí)引入晶內(nèi)碳化物和晶間納米碳的新策略，其具有納米碳結(jié)構(gòu)與原位固相反應(yīng)的穩(wěn)健界面。通過(guò)石墨化碳納米管的縱向拉伸合成了一種新型GNR增強(qiáng)體，該增強(qiáng)體被用于增強(qiáng)AMC，表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延性組合。相關(guān)論文以題“Regulating microstructure of Al matrix composites with nanocarbon architecture design towards prominent strength-ductility combination”發(fā)表在《Scripta Materialia》。

圖1 (a) 原始CNTs， (b) CNTs的高度分布，(c) GNR， (d) GNR的高度分布。(e-f) Al基體中CNT和GNR的HRTEM。(g-h)CNT/Al和GNR/Al的晶粒結(jié)構(gòu)。

GNR邊緣完全暴露石墨棱鏡平面并富含納米缺陷，提高它們的化學(xué)活性，增加Al-C間擴(kuò)散或通過(guò)觸發(fā)Al-C界面反應(yīng)來(lái)促進(jìn)GNR-Al相互作用，有助于GNR / Al界面的結(jié)合。此外強(qiáng)GNR-Al界面將促進(jìn)變形應(yīng)變過(guò)程中的界面 - 位錯(cuò)相互作用，并且大縱橫比的平面GNR可以通過(guò)抑制晶界（GB）遷移更有效地細(xì)化晶粒。

圖2納米碳/Al復(fù)合材料的界面反應(yīng):(a-c) CNT/Al;(d-g) GNR /Al。(h - k) 顯示GNR/Al中Al4C3和Al取向關(guān)系的反FFT圖

少量的晶間Al4C3更偏向沿著ED對(duì)齊，由于大尺寸Al4C3導(dǎo)致熱失配加劇，在Al4C3-Al界面附近產(chǎn)生了高強(qiáng)度的壓應(yīng)力，在晶界處觀察到一些Al4C3層錯(cuò)這與Al4C3的正常堆垛順序相反。而納米級(jí)Al4C3有效地避免了應(yīng)力集中，從而降低了Al4C3的脆性，納米級(jí)Al4C3尺寸還會(huì)產(chǎn)生Orowan強(qiáng)化。因此，納米尺寸的Al4C3和Al4C3- Al界面都可以作為位錯(cuò)源和位錯(cuò)障礙，有效地增加了位錯(cuò)的積累和增殖。在GNR/Al中發(fā)現(xiàn)了Al4C3與Al之間的多個(gè)特定取向關(guān)系(ORs)說(shuō)明在GNR/Al中Al4C3的形成是通過(guò)“非均相成核-生長(zhǎng)”模式。共格/半共格Al4C3-Al界面有效地降低了界面能量，提高界面鍵合，有利于減少晶格/彈性模量失配，提高協(xié)調(diào)變形能力。此外，共格/半共格較高密度的納米Al4C3界面加上尺寸將發(fā)揮強(qiáng)大的釘扎效應(yīng)。

圖3 a)材料工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) GNR/Al與報(bào)道中復(fù)合材料的性能比較

圖4 (a-d)復(fù)合材料的斷口面(g-h)拉伸試驗(yàn)后GNR/Al和CNT/Al中Al4C3-Al界面的TEM觀察(i)和(j)顯微組織和增強(qiáng)增韌效果示意圖。

優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用，與其他納米碳鋁復(fù)合材料的力學(xué)性能相比進(jìn)一步顯現(xiàn)出來(lái)。細(xì)晶強(qiáng)化增強(qiáng)，晶內(nèi)納米尺寸的Al4C3，引入Orowan強(qiáng)化以及通過(guò)納米碳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高負(fù)載傳遞強(qiáng)化有助于高強(qiáng)度。此外，晶粒內(nèi)Al4C3大長(zhǎng)徑比的晶間GNR將顯著促進(jìn)位錯(cuò)-加固相互作用，提高位錯(cuò)存儲(chǔ)能力，對(duì)提高GNR/Al的加工硬化能力和延性至關(guān)重要。GNR-Al界面與跨晶Al4C3的強(qiáng)界面結(jié)合可以通過(guò)裂紋橋接、鈍化和撓曲產(chǎn)生額外的增韌效果。在斷裂過(guò)程中會(huì)消耗更多的能量并延遲縮頸。

綜上所述，采用多壁CNTs縱向壓縮合成的GNR用于增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性組合。GNR/Al的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用主要?dú)w因于晶粒細(xì)化、晶內(nèi)/界面納米尺寸的Al4C3和GNR的大縱橫比。與在CNT-Al界面形成大尺寸外延Al4C3相反，通過(guò)“異相形核-生長(zhǎng)”模式形成的Al4C3與Al形成特定的ORs來(lái)保證GNR/Al中較強(qiáng)的界面內(nèi)聚力，界面Al4C3釘扎的GNR增強(qiáng)了荷載傳遞強(qiáng)化。強(qiáng)韌可能是通過(guò)裂紋橋接、鈍化和偏轉(zhuǎn)進(jìn)行的。此外，晶粒內(nèi) Al4C3大縱橫比的晶間GNR可以增加GNR/Al的位錯(cuò)存儲(chǔ)和加工硬化能力。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于優(yōu)化微結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)MMC的強(qiáng)度-延性權(quán)衡的重要性。