无序多层石墨烯增强铜基复合材料的高强度与塑性协同突破

本研究通过等离子辅助球磨(PABM)技术设计界面纳米结构，成功制备出具有sp2-sp3杂化的无序多层石墨烯(DMGr)/Cu复合材料。该材料在1.56 GPa超高压缩强度下仍保持>0.6的塑性应变，突破了纳米晶金属强度-塑性倒置的瓶颈。通过原位TEM证实DMGr层间滑动与位错累积的协同机制，为纳米结构金属设计提供新范式。

　　

在材料科学领域，纳米晶金属长期面临"强度越高、塑性越差"的魔咒。传统纳米晶铜虽可通过晶界强化获得GPa级强度，但位错在纳米尺度晶粒中难以存储，导致塑性应变通常不足5%。这种"一强就脆"的特性严重制约了其在航空航天等尖端领域的应用。

上海交通大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向碳材料中特殊的sp²-sp³杂化结构。通过等离子辅助球磨技术，他们成功将无序多层石墨烯(DMGr)均匀嵌入铜基体，制备出新型复合材料。令人振奋的是，这种材料不仅展现出1.56 GPa的惊人压缩强度（相当于优质合金钢的3倍），更突破了0.6的塑性应变阈值，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究采用多尺度表征与模拟相结合的策略：通过iDPC-STEM观察到DMGr界面处0.367 nm的晶格膨胀（较纯铜增大4%）；APT原子探针揭示碳原子梯度分布；原位TEM捕捉到DMGr层间滑动与位错交互的动态过程；MD模拟证实晶格应变可使位错密度提升3倍。这些技术共同揭示了材料强韧化的内在机制。

【Observed lattice expansion and microstructure characterizations】
XRD与iDPC-STEM显示DMGr引起铜晶格显著膨胀（111）晶面间距达0.231 nm。如图1d-e所示，界面区域存在明显的应变波动，EELS证实sp³键合占比随球磨时间增加。APT三维重构显示碳原子在界面1 nm范围内形成梯度固溶，DFT计算表明这是晶格畸变能驱动下的短路扩散所致。

【Mechanical properties】
16 vol% DMGr/Cu在微柱压缩测试中展现0.83 GPa屈服强度和1.56 GPa流动应力（图2a-b），应变硬化率θ达22.9 GPa，远超纳米晶铜（15.1 GPa）。其应变硬化指数n=0.54，比传统石墨烯/铜复合材料提高35%，表明DMGr能持续提供加工硬化能力。

【Microstructure evolution】
变形后TEM显示纳米晶粒内存在三类独特结构（图3g-j）：①高密度位错形成的Lomer-Cottrell锁；②从DMGr界面发射的纳米孪晶；③多重堆垛层错(MSFs)。原位观测发现DMGr层间滑动可协调塑性变形，其剪切强度达198.2 MPa（分子动力学模拟结果），比氧化石墨烯高36%。

【MD simulations】
分子动力学模拟揭示（图5b-f），晶格应变使位错启动应力提高25%，并促进多滑移系激活。在45%应变时，含晶格应变体系的位错密度是传统体系的3倍，这与实验观察到的位错缠结现象高度吻合。

这项研究开创性地通过界面纳米结构设计，利用DMGr的三大特性——sp²-sp³杂化带来的强层间结合、晶格应变促进的位错存储、以及可控层间滑动，成功破解了纳米晶金属的强塑性倒置难题。该材料在保持6.2 GPa纳米硬度的同时，其塑性应变比传统纳米晶铜提高12倍，为发展新一代高强韧金属复合材料提供了全新思路。特别值得注意的是，DMGr的引入还使材料在300°C仍保持优异的热稳定性，这为其在高温环境应用铺平了道路。