考虑基质与轴突纤维时间依赖性及损伤行为的脑白质有限变形本构模型研究

为解决石墨烯增强铝基复合材料中Al4C3相界面强化的争议问题，研究人员通过神经进化势能模型（NEP）结合分子动力学模拟，揭示了Al4C3相通过共价键增强界面强度与延展性的协同机制，为高性能复合材料设计提供了原子尺度理论支撑。

　　

在航空航天和汽车工业对轻量化材料的迫切需求下，石墨烯增强铝基（Al/G）复合材料因其卓越的强度重量比和导热性成为研究热点。然而，复合材料性能的核心瓶颈在于铝/石墨烯界面处形成的Al₄C₃相——这个纳米级界面相既能通过强化学键提升载荷传递效率，又可能因过度生长引发脆性断裂。学术界对其作用机制长期存在争议：Chen等学者认为Al₄C₃的锚定效应可显著提升强度，而Housaer团队则指出其可能加速界面失效。这种争议源于传统分子动力学模拟中，描述Al/G/Al₄C₃复杂相互作用的经典势函数存在精度不足的缺陷。

针对这一挑战，国家自然科学基金重点项目支持下的研究团队创新性地开发了神经进化势能模型（Neuroevolution Potential, NEP）。该模型通过融合第一性原理计算与机器学习算法，首次实现了对Al/G/Al₄C₃体系静态和动态行为的原子级精确描述。研究人员构建了包含多种晶体取向的纳米层状复合材料模型，系统模拟了平行/垂直载荷下的力学响应，并结合混合律理论揭示了载荷传递的主导强化机制。

关键技术方法包括：1）基于密度泛函理论（DFT）构建训练数据集；2）开发多元素NEP势函数；3）开展跨尺度分子动力学（MD）模拟；4）采用混合律理论验证宏观性能。研究特别关注了不同晶向界面的Al₄C₃相演化行为。

【构造与验证NEP模型】

通过对比弹性常数、堆垛层错能等关键参数，证实NEP模型较传统势函数精度提升显著。在Al/Al₄C₃界面能计算中，NEP结果与实验值偏差小于5%，成功复现了界面共价键的电子结构特征。

【结果与讨论】

平行拉伸模拟显示，含Al₄C₃的复合材料极限强度达3.12 GPa，较纯铝提升83.5%。剪切分析表明界面共价键使应力传递效率提高2.1倍。值得注意的是，Al₄C₃在(111)晶面表现出独特的位错钉扎效应，使材料在保持12%延展率的同时实现强度跃升。

【结论】

该研究首次从原子尺度阐明了Al₄C₃相的"强度-韧性协同增强"机制：1）界面共价键网络提升载荷传递效率；2）纳米级Al₄C₃通过Orowan机制阻碍位错运动；3）晶体取向调控塑性变形路径。这些发现发表于《Mechanics of Materials》，为定向设计高性能金属基复合材料提供了理论基石。研究建立的NEP框架还可拓展至其他碳增强金属体系的多尺度模拟。