微波烧结制备石墨烯增强多孔Fe-7.5Cu复合材料的微观结构与力学性能协同调控研究

为解决多孔Fe-Cu合金材料强度与韧性难以协同提升的问题，研究人员通过化学镀铜修饰石墨烯（GNP(Cu)）作为增强相，结合微波烧结技术制备了Fe-7.5Cu-xGNP(Cu)复合材料。结果表明，1.0 wt% GNP(Cu)添加量使抗拉强度和延伸率分别提升32.4%和39.1%，归因于GNP(Cu)的均匀分散及其与基体的紧密界面结合。该研究为高孔隙率与高强韧性兼具的金属基复合材料设计提供了新思路。

　　

多孔金属材料因其轻量化和高比强度的特性，在自润滑轴承、减摩材料等领域备受青睐，但孔隙率与力学性能的“此消彼长”始终是难以突破的瓶颈。以Fe-Cu合金为例，其优异的耐磨性和低摩擦系数虽能满足基础需求，但过低的强度和延展性严重限制了其在疲劳敏感场景的应用。传统增强相如碳纳米管（CNTs）或石墨虽能提升硬度，却因脆性大、易团聚等问题适得其反。如何通过材料设计打破这一“魔咒”，成为西南交通大学材料科学与工程学院团队的研究出发点。

研究团队创新性地采用化学镀铜修饰石墨烯（GNP(Cu)）作为增强相，通过粉末冶金结合微波烧结技术，成功制备出孔隙率可控的Fe-7.5Cu-xGNP(Cu)复合材料。关键技术包括：基于黄培云压制方程设计冷压参数以精确调控孔隙率；化学镀铜工艺改善GNP与基体的界面结合；微波烧结实现快速均匀加热以抑制晶粒过度生长。通过系统研究GNP(Cu)含量对材料微观结构和力学性能的影响规律，揭示了增强相“量效关系”的临界阈值。

微观形貌分析显示，经化学镀铜处理的GNP保持片层结构且铜颗粒均匀附着（图3a-b），有效解决了石墨烯与铜的润湿性难题。X射线衍射（XRD）证实复合材料中生成Fe₃
C硬质相，其与未反应的GNP共同构成“双增强”机制。

力学性能测试表明，当GNP(Cu)含量为1.0 wt%时，材料呈现最优强度-韧性匹配：抗拉强度达583 MPa，延伸率为12.7%，较未增强基体分别提升32.4%和39.1%。这种协同效应源于三个关键机制：GNP(Cu)的二维结构有效阻碍位错滑移；Fe₃
C沉淀相钉扎晶界抑制晶粒长大；铜镀层增强的界面结合促进应力传递。然而，当GNP(Cu)含量超过1.5 wt%时，增强相团聚并向孔隙迁移，导致性能急剧下降。

讨论部分深入分析了微波烧结的工艺优势。与传统热压烧结相比，微波的体加热特性使Fe-Cu元素分布更均匀，烧结温度降低约50°C，且晶粒尺寸减小23%。研究还发现，GNP(Cu)的加入使材料断裂模式从纯基体的脆性断裂转变为韧窝-解理混合型断裂，电镜观测到GNP的桥联裂纹和拔出效应（图7d），证实其出色的增韧能力。

该研究通过“界面工程+工艺创新”的组合策略，实现了多孔Fe-Cu合金强度与韧性的“双赢”，为航空航天、轨道交通等领域轻量化承载部件提供了新材料解决方案。论文发表于《Powder Technology》期刊，通讯作者Jiang Xiaosong强调，该方法可拓展至其他金属基体体系，未来将通过三维石墨烯网络构筑进一步突破性能极限。