石墨烯增强FeNiCrCoCu高熵合金的应力-热协同强化机制研究

本研究针对高熵合金(HEA)在极端环境下力学与热传导性能协同提升的难题，通过分子动力学(MD)模拟与热传导实验相结合，创新性地引入石墨烯(Gr)增强相，揭示了Gr层通过阻碍位错运动促进Stair-rod位错形成、以及高频声子谱增强热导率的双重机制。研究发现HEA/Gr复合材料的流变应力显著提升，热导率达8.37 W/mK（较纯HEA提高21.8%），为高熵合金基异质材料的性能优化提供了新思路。

　　

在航空航天、微机电系统等极端环境应用中，材料需要同时具备优异的力学性能和热管理能力。高熵合金(High-entropy alloy, HEA)作为一种由多种主元等比例构成的新型合金，因其独特的力学强度和耐腐蚀特性备受关注。然而，传统HEA存在热导率偏低、应力集中等问题，制约了其在热机械耦合场景中的应用。尽管通过元素掺杂、空位调控等内场环境修饰可部分改善性能，但如何实现力学-热学性能的协同提升仍是领域内亟待解决的难题。

针对这一挑战，国内某高校的研究团队创新性地将二维材料石墨烯(Graphene, Gr)引入FeNiCrCoCu高熵合金体系，通过分子动力学模拟与实验验证相结合，系统研究了HEA/Gr异质结构的应力-热协同强化机制。相关成果发表在《Surfaces and Interfaces》上，为高熵合金基异质材料设计提供了重要理论依据。

研究采用分子动力学(MD)模拟与热传导实验相结合的技术路线。通过构建HEA/Gr纳米柱模型，采用NPT系综进行力学压缩模拟，分析位错演化规律；利用非平衡分子动力学(NEMD)计算面内(K_in)和面外(K_through)热导率；结合原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等实验手段验证材料性能。

机械性能强化部分揭示：Gr层的引入虽略微降低屈服应力，但显著提高了流变应力。位错分析表明，Gr层作为不可穿透界面阻碍了可动位错(mobile dislocations)的滑移，促进了Stair-rod位错等不动位错(immobile dislocations)的形成，这种位错重组机制产生了显著的力学强化效果。

热导率增强部分显示：Gr层使HEA/Gr的K_in提升21.8%至8.37 W/mK。从声子角度分析，Gr的宽频高声子谱和高面内声子参与率是热导提升的主因。虽然异质界面导致K_through略有下降，但面内热导的显著优势使整体热管理性能得到优化。

实验结果分析通过等压加热平台证实：HEA/Gr在25°C环境下的热传导效率显著优于纯HEA，AFM和SEM表征显示Gr层均匀分布在HEA表面，XPS验证了界面化学键合状态，实验结果与MD模拟趋势高度一致。

该研究首次从原子尺度阐明了Gr对HEA应力-热性能的协同强化机制：力学方面通过位错重组产生强化效应，热学方面利用高声子谱提升热传导。这种"一材双效"的策略不仅为HEA基异质材料设计提供了新范式，其揭示的界面位错-声子耦合机制对开发其他高性能复合材料具有普适指导意义。研究成果对极端环境用功能材料的性能优化具有重要应用价值。