石墨烯/钛界面性质的第一性原理计算以及Si和C溶质元素对界面反应影响的探究

《Journal of Materials Research and Technology》：First-Principles Calculation of Graphene/Titanium Interface Properties and Investigation on the Effect of Si and C Solute Elements on Interface Reactions

基于第一性原理计算和真空弧熔炼制备技术，研究Si/C共溶对抑制石墨烯/钛基复合材料界面反应的机理。实验表明，共溶Si和C元素通过协同捕获钛基体电子，显著降低界面反应能（-1.61 J/m2），使Raman特征峰I_D/I_G比值从0.725降至0.517，有效保护石墨烯层状结构完整性。

　　在金属基复合材料的研究中，石墨烯因其独特的物理和化学性质，如高强度、低密度和优异的耐磨性，被认为是提升材料性能的重要增强相。然而，在高温环境下，石墨烯与钛基体之间容易发生化学反应，生成钛碳化物（TiC），这一反应不仅破坏了石墨烯的结构完整性，还削弱了其作为增强相的效能，从而影响复合材料的整体性能。因此，抑制石墨烯与钛基体之间的界面反应成为制备此类复合材料的关键研究方向之一。本文通过第一性原理计算和实验方法，探讨了硅（Si）和碳（C）元素在钛基体中的固溶作用如何影响石墨烯/钛基体复合材料（TMCs）的界面性能。

石墨烯与钛基体之间的界面反应主要涉及电子转移过程。在纯钛与石墨烯的体系中，钛原子会失去电子，而石墨烯中的碳原子则会获得电子，形成稳定的化学键。然而，当引入Si或C元素后，由于它们的电负性高于钛，能够优先捕获钛原子原本要转移给石墨烯中碳原子的电子，从而减少钛与石墨烯之间的电子交换。这种电子捕获机制有效抑制了界面反应的发生。研究发现，Si和C元素的协同捕获能力比单一元素的固溶作用更强，这使得它们对界面反应的抑制效果更为显著。通过实验观察和计算分析，研究人员确认了这种协同效应的存在，并发现当Si和C共同固溶于钛基体时，界面反应的抑制效果达到了最佳。

实验方面，研究人员采用真空电弧熔炼技术制备了不同固溶状态的石墨烯/TC4复合材料。通过Raman光谱分析，研究发现，随着固溶元素的加入，石墨烯与钛基体之间的反应程度显著降低。具体而言，纯石墨烯/钛体系的I_D/I_G比值为0.725，而仅加入Si元素的体系比值降至0.712，仅加入C元素的体系比值进一步降低至0.611，而同时加入Si和C元素的体系比值最低，仅为0.517。这一结果与第一性原理计算结果高度一致，表明Si和C的协同固溶作用在抑制界面反应方面效果最佳。

此外，实验还通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对复合材料的微观结构进行了表征。SEM图像显示，不同固溶状态的复合材料中，钛碳化物（TiC）的分布形态存在差异。当同时加入Si和C元素时，TiC的形成被有效抑制，石墨烯的完整性得以保留。TEM图像进一步证实了这一现象，表明在Si/C共同固溶的体系中，石墨烯层状结构未被破坏，且存在未反应的石墨烯微片。这些结果支持了理论分析，表明Si/C的协同固溶作用在保持石墨烯结构完整性方面具有重要作用。

为了更深入地理解固溶元素对界面反应的影响，研究人员还对石墨烯与钛基体的界面模型进行了第一性原理计算。计算结果显示，Si和C的协同固溶作用显著降低了钛与石墨烯之间的界面能，从而增强了界面稳定性。同时，界面结合能也得到了提升，表明Si/C共同固溶的体系在增强石墨烯与钛基体之间的结合性能方面表现最佳。通过分析界面模型的电子结构，研究人员发现，Si和C元素的协同作用改变了钛原子的电子分布，使其在界面区域的电子捕获能力增强，从而减少了钛向石墨烯中碳原子的电子转移。这种电子捕获机制不仅抑制了界面反应的发生，还影响了石墨烯的电子特性，如总密度态（DOS）的变化。

在实验数据的支持下，研究还发现，当Si和C共同固溶于钛基体时，复合材料的微观结构表现出更高的稳定性。这体现在石墨烯与钛基体之间的界面区域，其电子云重叠程度和电荷转移效率均有所下降。同时，石墨烯的层状结构得以保留，表明其在复合材料中的增强作用未被破坏。这些实验结果与第一性原理计算结果相互印证，进一步说明了Si/C协同固溶作用在抑制界面反应、保护石墨烯结构完整性方面的优势。

本研究不仅提供了理论上的解释，还通过实验验证了Si和C元素的协同固溶作用对石墨烯/钛基体复合材料性能的提升效果。通过Raman光谱和SEM/TEM图像的分析，研究人员确认了不同固溶状态下石墨烯的结构完整性变化趋势。这些结果表明，当Si和C共同固溶时，石墨烯的结构完整性得到了最大程度的保护，从而为高性能石墨烯增强钛基体复合材料的制备提供了理论和实验依据。

综上所述，本文通过第一性原理计算和实验方法，系统研究了Si和C元素在钛基体中的固溶作用对石墨烯/钛基体复合材料界面性能的影响。研究结果表明，Si和C的协同固溶作用能够显著抑制石墨烯与钛基体之间的反应，从而提高复合材料的性能。这一发现不仅拓展了对界面反应机制的理解，也为未来在航空航天、汽车制造和生物医学等领域的高性能材料开发提供了新的思路。