石墨烯折纸/铝纳米复合材料纳米压痕力学性能的协同增强机制研究

为解决石墨烯/铝基复合材料(Gra/Al)存在的"强度-韧性倒置"问题，南昌航空大学团队通过分子动力学(MD)模拟构建了石墨烯折纸/铝(GOri/Al)纳米复合材料。研究发现GOri独特的褶皱拓扑结构可实现35%的断裂韧性提升和22%的承载能力增强，其应力缓冲和可展开特性有效缓解了传统二维石墨烯的应力集中问题，为航空航天轻量化材料设计提供了新思路。

　　

在航空航天领域，铝基复合材料(AMCs)长期面临"强韧不可兼得"的困境——传统碳化硅颗粒增强虽提高硬度却导致脆性增加，而二维石墨烯(Gra)的引入又因平面结构引发应力集中。南昌航空大学团队在《Mechanics of Materials》发表的研究，创新性地将源自折纸艺术的石墨烯折纸(GOri)三维拓扑结构引入铝基体，通过分子动力学(MD)模拟揭示了这种新型纳米复合材料在纳米压痕过程中的协同增强机制。

研究采用LAMMPS软件构建了四种对比模型：纯Al、Gra/Al、GOri/Al及GOri/Gra/Al复合体系。通过Berendsen热浴法控制300K恒温环境，采用球形金刚石压头以5m/s速度进行纳米压痕模拟，结合OVITO可视化工具分析位错演变。重点考察了压痕力-深度曲线、Von Mises应力分布和位错密度等参数。

纳米压痕响应
压痕实验显示GOri/Al在55?深度时仍保持结构完整，而Gra/Al在49.8?即发生石墨烯断裂。GOri独特的褶皱展开行为使应力沿折痕边缘均匀分布，折脊部位承担主要应力，使复合材料在完全卸载后表现出优异的塑性恢复能力。

位错演变机制
弹性阶段GOri/Al的位错成核速率显著低于Gra/Al；塑性阶段GOri的周期性褶皱单元通过多向载荷分散应力，其折叠界面有效耗散裂纹能量。当压头接触嵌入层时，Gra因C-C键拉伸张力导致压痕力骤增，而GOri仍处于缓冲阶段。

参数影响分析
研究表明压头速度从1m/s增至10m/s时，GOri/Al的屈服强度提升18%；压头半径从10?扩大至20?使材料承载能力提高27%，但过大的压头会削弱GOri的展开缓冲效应。

该研究首次证实三维GOri结构可通过"褶皱拓扑-位错抑制-应力再分布"的多级作用机制突破AMCs的强韧化瓶颈。其创新性体现在：①发现GOri的负泊松比(NPR)特性可延缓界面分层；②阐明折叠界面动态解离能吸收机制；③建立压头参数-力学性能的定量关系。这些发现为开发新一代航空轻量化材料提供了理论依据，特别在柔性电子器件和冲击防护领域具有重要应用前景。