镁合金化与石墨烯纳米片协同调控生物启发层状Al-30Zn-2Cu基复合材料的微观结构与多功能性能

针对高铝锌合金强度与阻尼性能难以协同提升的难题，西南交通大学团队通过片状粉末冶金技术，创新性地将镁合金化与石墨烯纳米片（GNPs）增强相结合，制备了生物启发层状Al-30Zn-2Cu-xMg-0.5GNPs复合材料。研究发现1 wt.% Mg可促进高长径比η-Zn析出相形成，显著提升压缩性能（强化效应）和阻尼性能（能量耗散），但过量Mg会引发晶界粗大Mg2Cu/MgZn2相，导致性能下降。该研究为开发兼具高强高阻尼的轻量化材料提供了新思路。

　　

在工程领域，机械振动带来的能量损耗和噪声污染一直是棘手问题。传统高铝锌合金（含20-45 wt.% Zn）虽具备优异阻尼性能，能通过界面滑移机制将振动能转化为热能，但高锌含量导致尺寸稳定性和塑性急剧下降。更矛盾的是，提升强度的合金化手段往往以牺牲阻尼能力为代价——这种"强度-阻尼"的此消彼长关系，严重制约了此类材料在航空航天减振结构、汽车压铸件等场景的应用。

西南交通大学的研究团队从珍珠层状结构获得灵感，提出"镁合金化+二维材料增强"的协同策略。他们采用片状粉末冶金（flake PM）技术，以石墨烯纳米片（GNPs）为增强相，在固定2 wt.% Cu含量的Al-30Zn基体中系统调控Mg含量（0-4 wt.%），成功制备出生物启发层状复合材料。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究揭示：适量Mg通过原子固溶引发晶格畸变，促使η-Zn析出相长径比提升4.6倍，形成"钉扎效应"阻碍位错运动；同时GNPs的层间剪切耗散机制与析出强化产生协同效应，使1 wt.% Mg样品同时获得最高压缩强度（提升37%）和阻尼性能（tanδ增加23%）。但过量Mg会诱发晶界区粗大Mg₂Cu/MgZn₂相，反而削弱性能。

关键技术方法
研究采用球磨-热压烧结的粉末冶金路线：先将Al、Zn、AlMg50、Cu片和GNPs球磨成片状复合粉末，通过SEM/EDS确认元素均匀分布；随后采用放电等离子烧结（SPS）制备致密块体，利用XRD分析相组成，TEM观察η-Zn析出相形貌；通过动态机械分析（DMA）测试阻尼性能，万能试验机评估压缩性能，并结合EBSD分析晶界特征。

研究结果
微观结构演变
1 wt.% Mg的添加使η-Zn相在Al{111}面择优生长，长径比从基础组的5.2增至24.1。TEM显示这些纳米级片状析出相与基体共格关系良好，而高分辨图像证实Mg原子固溶导致晶面间距扩大0.8%。但4 wt.% Mg样品中，晶界处出现连续分布的Mg₂Cu相（宽度达200 nm），严重阻碍位错跨晶界运动。

力学性能突破
压缩实验显示1 wt.% Mg样品屈服强度达412 MPa，较无Mg组提升37%。作者提出"三维强化模型"：GNPs的二维约束效应（2D）、η-Zn相的一维钉扎（1D）与Mg固溶的零维点阵畸变（0D）共同作用。但过量Mg使断裂韧性下降42%，断口呈现沿晶断裂特征。

阻尼机制创新
DMA测试表明1 wt.% Mg样品在30℃/1Hz下tanδ值达0.023，比基础组高23%。研究首次发现η-Zn相/基体界面与GNPs层间存在"双滑移耗散"效应：位错在η-Zn相周围形成耗散环（TEM可见位错缠结），同时GNPs的层间剪切产生摩擦热，二者协同提升能量转换效率。

结论与展望
该研究通过精确调控Mg/Cu比例，实现了Al-Zn基复合材料"强度-阻尼-韧性"的协同优化。1 wt.% Mg的添加使GNPs增强相与基体形成多尺度协同耗散网络，为开发新型减振结构材料提供了理论依据。团队建议未来可研究Sc/Mg复合微合金化，进一步抑制晶界脆性相形成。这项工作不仅推动了高阻尼金属基复合材料（MMCs）的设计理论发展，也为航天器减重、精密仪器隔振等工程需求提供了材料解决方案。