关于Cu-GNPs复合涂层冷喷涂沉积过程的原子级研究

《Surface and Coatings Technology》：Atomic-level insights into cold spray deposition of Cu-GNPs composite coatings

冷喷涂Cu-GNPs纳米复合材料在Al基体上的沉积机制通过分子动力学模拟研究，揭示冲击速度、颗粒形态及石墨烯分布对界面结合和塑性变形的影响：高速度（1500 m/s）导致更深的坑和更高的粘附强度，但扁平化率增速放缓；石墨烯分布（聚集/均匀/随机）显著改变颗粒塑性变形及界面应力分布；球状与半球状颗粒的沉积行为差异体现在变形程度和坑深上。

　　冷喷涂技术作为一种固态沉积方法，近年来因其在制备金属基复合材料（MMCs）方面的潜力而受到广泛关注。这项技术能够以较低的热输入将纳米复合粉末沉积到基材表面，从而保持材料的原始性能并实现高性能复合材料的制备。在这一背景下，本文通过分子动力学（MD）模拟，系统研究了铜-石墨烯纳米片（GNPs）复合粉末在铝基材上的沉积过程，重点分析了石墨烯的分布形式、金属粒子的形态以及沉积速度对原子尺度结合机制的影响。这些研究结果不仅揭示了冷喷涂沉积过程中材料行为的微观机理，也为未来优化材料设计和工艺参数提供了理论支持。

冷喷涂技术的核心在于通过将金属粉末加速至超音速速度，使其撞击基材表面，从而在固态下实现粘附。这种方法特别适用于制备二维金属基复合材料，因为其能够保留增强相（如石墨烯）的完整性，同时促进特定性能的复合材料形成。铜和铝作为两种常见的金属材料，因其优异的物理和化学性能而被广泛应用于电子、航空航天和能源存储等领域。铜具有良好的导电性和导热性，而铝则因其低密度、高抗腐蚀性以及良好的加工性能而备受青睐。通过在铜颗粒表面引入石墨烯纳米片，可以进一步提升复合材料的性能，例如增强机械强度、改善导电性以及优化热传导能力。此外，石墨烯的引入还可以通过其独特的二维结构和表面特性，对金属颗粒的沉积行为产生重要影响。

本文的研究聚焦于冷喷涂过程中，金属颗粒与基材之间的结合机制，特别是石墨烯在其中所扮演的角色。研究发现，沉积速度对颗粒变形和沉积形态具有显著影响。随着沉积速度的增加，颗粒的扁平化程度提高，导致更深的基材穿透和更大的凹坑形成。这种变化不仅影响了颗粒的塑性变形行为，还进一步增强了颗粒与基材之间的结合强度。例如，在1500 m/s的高速沉积条件下，颗粒几乎完全嵌入基材，形成显著的凹坑结构，表明此时颗粒与基材之间的相互作用更为剧烈。值得注意的是，尽管沉积速度对颗粒变形有明显影响，但当速度超过一定阈值后，这种效应趋于稳定，颗粒的变形不再显著增加。

石墨烯的分布形式在冷喷涂过程中同样扮演了关键角色。通过模拟不同分布方式下的颗粒沉积，研究发现石墨烯的聚集、均匀分布和随机分布都会对复合颗粒的塑性变形和沉积状态产生深远影响。在聚集分布的情况下，石墨烯在颗粒表面和基材表面形成一定的吸附作用，从而在局部区域引发变形。这种变形模式在沉积过程中表现出非均匀性，最终导致沉积形态的不对称。相比之下，均匀或随机分布的石墨烯则更容易发生压缩、滑动和嵌入，从而在界面区域形成复杂的应力分布。这些不同的行为模式进一步表明，石墨烯的分布不仅影响了颗粒的变形特性，还对最终沉积结构的形成起到了决定性作用。

颗粒的形态也是影响冷喷涂沉积行为的重要因素。在本研究中，分别模拟了球形和半球形复合颗粒在铝基材上的沉积过程。结果表明，半球形颗粒在高速沉积条件下更容易形成更深的凹坑，同时表现出更高的变形能力。球形颗粒虽然具有较高的扁平化率，但其在基材表面形成的凹坑相对较小，这可能与其接触面积和局部变形的均匀性有关。此外，不同形态的颗粒在沉积过程中对石墨烯的保留能力也存在差异。半球形颗粒表面的石墨烯更倾向于在沉积过程中聚集并嵌入基材，而球形颗粒的石墨烯则更容易滑落并脱离系统。这种差异可能与颗粒接触基材时的表面形态和石墨烯与金属之间的相互作用有关。

在冷喷涂过程中，石墨烯不仅作为增强相，还通过其独特的物理吸附特性影响颗粒与基材之间的结合机制。研究发现，石墨烯与金属原子之间的范德华力是其吸附行为的主要驱动力。这种力在颗粒与基材接触时能够有效减少直接金属-金属接触，从而防止界面处的裂纹形成。同时，石墨烯的引入还能够改变界面区域的原子排列方式，促进非晶态原子的形成。这种非晶态结构在一定程度上影响了界面的结合强度和整体性能。因此，石墨烯的分布和形态对界面行为的调控具有重要意义。

通过进一步分析沉积过程中原子的应力分布和位错演化，研究揭示了冷喷涂沉积的微观机制。在沉积过程中，随着颗粒与基材的接触，界面区域的原子会经历显著的应力变化。这些应力主要来源于颗粒与基材之间的原子相互作用以及晶体结构的不匹配。在较高沉积速度下，应力的积累更加明显，导致更多的位错形成。位错的生成和演化不仅影响了颗粒的塑性变形行为，还对最终沉积结构的稳定性起到了关键作用。此外，研究还发现，沉积速度的增加会显著提高位错密度，从而增强颗粒与基材之间的结合强度。然而，当速度过高时，非晶态原子的出现可能会削弱这种结合效应。

在研究中，还观察到石墨烯在沉积过程中的动态行为。例如，在较高沉积速度下，石墨烯片层可能会发生滑动、折叠和聚集，从而改变其在颗粒表面的分布状态。这些行为不仅影响了石墨烯与金属之间的相互作用，还对颗粒的变形模式和沉积形态产生了影响。通过比较不同分布方式下的石墨烯行为，研究发现，聚集分布的石墨烯在界面处表现出更强的吸附能力，而均匀或随机分布的石墨烯则更容易发生滑动和嵌入，从而改变颗粒的塑性变形过程。这些结果表明，石墨烯的分布形式不仅影响了其自身的物理行为，还对整个复合材料的性能具有重要影响。

本文的研究还揭示了冷喷涂过程中，颗粒形态和石墨烯分布对界面结构的协同作用。例如，在半球形颗粒上，石墨烯更容易在沉积过程中保持稳定，从而形成更均匀的界面结合。而在球形颗粒上，石墨烯的滑落行为可能导致其无法有效参与界面的结合过程。这种差异进一步表明，颗粒的形态和石墨烯的分布方式共同决定了沉积过程中界面的物理和化学特性。此外，研究还发现，不同沉积速度下，颗粒与基材之间的结合机制存在变化。在较低速度下，界面结合主要依赖于金属原子之间的冶金结合，而在高速沉积条件下，石墨烯的物理吸附作用变得更加显著。

综合来看，本文的研究结果表明，冷喷涂过程中颗粒的沉积行为受到多种因素的共同影响。沉积速度决定了颗粒的变形程度和界面的结合强度，而石墨烯的分布形式则影响了颗粒的塑性变形模式和沉积形态。同时，颗粒的形态也对石墨烯的保留和界面结构的形成起到了关键作用。这些发现为优化冷喷涂工艺参数和设计高性能的金属基复合材料提供了理论依据。未来的研究可以进一步探讨不同材料组合、不同石墨烯含量以及不同沉积条件下的界面行为，从而推动冷喷涂技术在更广泛领域的应用。