石墨烯嵌入深度对高熵合金复合涂层力学与摩擦学性能的调控机制

本研究针对高熵合金(HEA)涂层在摩擦学应用中屈服强度不足的问题，通过分子动力学(MD)模拟揭示了石墨烯(Gr)嵌入深度(d=10-50??)对CoNiCrFeMn?HEA/Gr复合材料纳米压痕与划擦行为的调控机制。研究发现20??嵌入深度可实现摩擦系数降低31.2%，30??时界面位错湮灭显著增强，为低成本高性能复合涂层设计提供理论依据。

　　

在航空航天和核能装备领域，高熵合金(HEA)因其独特的高熵效应和晶格畸变效应展现出巨大应用潜力。然而，面心立方(FCC)结构的CoNiCrFeMn?HEA存在屈服强度低的缺陷，严重制约其在摩擦磨损场景的应用。虽然石墨烯(Gr)作为二维纳米材料能通过界面强化提升复合材料性能，但其空间分布对增强效率的影响机制尚不明确，且传统实验方法难以观测纳米尺度的界面动态行为。

贵州大学的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，采用分子动力学(MD)模拟系统探究了Gr嵌入深度(d=10-50??)对HEA/Gr复合材料力学性能的调控规律。通过构建单晶CoNiCrFeMn超胞模型，采用LAMMPS软件模拟纳米压痕和划擦过程，结合位错分析(DXA)和应力场计算，揭示了深度依赖的强化机制。

Model construction and simulation details
研究首先建立FCC结构CoNiCrFeMn超胞，通过随机置换原子避免短程有序。采用MEAM势函数描述金属相互作用，AIREBO势描述Gr碳键，构建不同嵌入深度(10-50??)的HEA/Gr模型。金刚石压头以5?m/s速度进行30??压痕，划擦速度设为50?m/s。

The effect of Gr embedding depth on the indentation process
纳米压痕结果显示：浅层嵌入(10??)时Gr易发生屈曲断裂，而20-30??深度表现出最佳载荷传递效率。当压痕深度达15??时，30??嵌入模型的硬度比纯HEA提升47.8%，归因于Gr直接承载和位错钉扎效应。应力场分析表明，Gr将局部应力集中转化为均匀分布的弹性应变能。

Conclusions
主要结论包括：(1)20??嵌入深度通过界面润滑和弹性恢复使摩擦系数降低31.2%，磨损原子数减少6.27%；(2)30??深度时界面位错湮灭活性增强，显著提升疲劳抗性；(3)Gr通过改变合金内部刚度分布促进载荷快速耗散。该研究为HEA/Gr复合涂层的结构优化提供了原子尺度的设计依据，特别在航空航天耐磨损涂层领域具有重要应用价值。