原位石墨烯增强金属玻璃复合材料的协同强化机制：强度与塑性的同步提升

针对传统块体金属玻璃复合材料(BMGCs)因晶体引入导致强度显著降低的问题，中国科学院金属研究所团队创新性地采用化学气相沉积(CVD)结合高真空熔体渗透(HVMI)技术，成功制备出原位石墨烯增强BMGCs。该材料通过石墨烯与TiC的协同作用实现位错钉扎和剪切带增殖，在保持1125 MPa高强度的同时将塑性提升至8.2%，为轻量化高强度结构材料开发提供了新范式。

　　

块体金属玻璃(BMGs)因其独特的非晶结构展现出卓越的强度、硬度和弹性模量，但室温脆性始终是制约其工程应用的阿喀琉斯之踵。传统解决方案是通过引入晶体相形成BMGCs来提升塑性，却往往以牺牲强度为代价。这种"强度-塑性倒置"困境在钛合金骨架增强体系中尤为突出，强度降幅可达40%以上。如何突破这一材料科学领域的"跷跷板效应"，成为研究者们亟待解决的核心问题。

中国科学院金属研究所Haojie Liang、Tingyi Yan等科研人员独辟蹊径，将目光投向"材料之王"石墨烯。研究团队创新性地采用CVD技术在三维多孔钛骨架表面原位生长石墨烯，再通过HVMI工艺将金属玻璃熔体渗透其中，成功制备出石墨烯-TiC协同增强的新型BMGCs。该材料不仅解决了传统粉末冶金法制备中石墨烯易团聚、界面结合差的痛点，更通过独特的"双相协同"机制——晶体相中位错钉扎与非晶基体中剪切带增殖的协同作用，实现了强度(1125 MPa)与塑性(8.2%)的同步提升，相关成果发表在《Materials Characterization》上。

研究主要采用三项关键技术：1)化学气相沉积(CVD)在300μm多孔钛骨架表面可控生长3-5层石墨烯；2)高真空熔体渗透(HVMI)在10^-3
Pa真空度下实现Zr_41.2
Ti_13.8
Cu_12.5
Ni₁₀
Be_22.5
金属玻璃熔体对石墨烯/Ti网络的完全填充；3)通过H₂
流量调控(200 sccm)优化石墨烯/TiC界面反应动力学。

【Microstructure characterization】部分揭示，当H₂
流量为200 sccm时，CVD过程形成的TiC过渡层厚度达50nm，与石墨烯形成化学键合界面。EDS分析显示该条件下碳元素分布均匀性较100 sccm组提升300%，为后续协同强化奠定结构基础。

【Interfacial reaction process】通过HRTEM证实，HVMI过程中碳原子优先沿钛晶界扩散形成纳米级TiC颗粒。这些颗粒与石墨烯构成"钉扎-桥接"复合结构：TiC钉扎位错运动提升强度，石墨烯通过层间滑移促进载荷传递和能量耗散，使复合材料在变形过程中能维持均匀的应力分布。

力学测试数据显示，石墨烯增强BMGCs的压缩强度达1125 MPa，较未增强组提高28%，塑性应变提升至8.2%。断口分析观察到独特的"珊瑚状"形貌，表明裂纹扩展过程中经历了多重偏转和分支，这是石墨烯促进剪切带三维网络形成的直接证据。分子动力学模拟进一步揭示，石墨烯/金属玻璃界面处的原子重排能有效抑制剪切带局部化，使变形能更均匀地分散到整个材料体积中。

该研究的突破性在于：1)首创CVD-HVMI联用技术路线，攻克石墨烯在金属基体中分散性差的世界性难题；2)阐明石墨烯-TiC"双相协同"强化机制，为设计高性能BMGCs提供理论框架；3)开发出密度仅4.5 g/cm³
的轻量化复合材料，其比强度达250 MPa·cm³
/g，在航空航天领域具有重大应用前景。正如通讯作者Long Zhang指出，这种"鱼与熊掌兼得"的材料设计策略，或将重新定义结构材料的性能极限。