《Journal of Alloys and Compounds》：Simultaneous enhancement of strength and ductility in Ti matrix composites via graphene nanoplatelets-induced heterostructure
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本研究通过异质结构设计，在TA1基体中形成硬细晶区和软粗晶区交替的双模结构，其中石墨烯纳米片（GNPs）呈现连续网络分布于细晶区、离散片状分布于粗晶区的空间分布特征。经热机械加工和再结晶退火处理后，该复合材料强度提升80%同时保持优异延展性，其强化机制源于异质变形诱导强化效应，有效协调了不同区域的变形不匹配。分隔符：
任家禾|邱春林|李卓|冯腾峰|李天硕|肖磊|张家琪|马新凯
教育部先进材料技术重点实验室，西南交通大学材料科学与工程学院，中国四川成都610031
摘要
传统的钛基复合材料（TMCs）在同时优化强度和延展性方面一直面临挑战。为了解决这一限制，我们提出了一种通过异质结构（HS）设计进行微观结构工程的方法。本研究通过热机械加工结合热轧和再结晶退火，在TA1基复合材料中开发出一种新型的双峰结构。这种工程化的微观结构由交替的硬质细晶区和软质粗晶区组成，其中石墨烯纳米片（GNPs）具有不同的空间分布：在细晶区形成连续的网络结构，在粗晶区呈现不连续的片状形态。这种独特的异质结构不仅控制了双峰结构的分布，还通过有效的增强作用提高了机械性能。通过准静态拉伸试验和循环加载-卸载实验的机械表征表明，与传统的均匀TMCs相比，异质GNPs/TA1复合材料在屈服强度上提高了80%，同时保持了延展性。微观结构分析显示，硬质区和软质区界面处的异质变形诱导（HDI）强化是主要的强化机制，有效缓解了应变不匹配问题。这种异质TMCs所展现出的优异的强度-延展性协同效应，凸显了其在需要高性能结构材料的先进航空航天和工业应用中的巨大潜力。
引言
与传统的整体金属相比，金属基复合材料（MMCs）因其改进的机械性能（特别是在抗拉强度、耐腐蚀性和耐磨性方面）而受到研究人员的特别关注[1]、[2]。特别是钛（Ti），其卓越的比强度和出色的耐腐蚀性使其成为航空航天和汽车应用中理想的整体材料及基体候选材料[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。近年来，钛基复合材料（TMCs）取得了显著的进步[8]、[9]、[10]、[11]。然而，传统的TMCs经常在强度和延展性之间面临两难选择。强度的提高通常会导致延展性的下降，这限制了它们在恶劣环境中的使用[12]、[13]。
为了解决这个问题，研究人员将增强相（如陶瓷颗粒、碳纳米管）引入TMCs中以提高其机械性能[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。然而，尤其是在高体积分数下引入增强相时，往往会导致延展性的显著降低[20]。因此，在TMCs研究中同时实现强度和延展性的提升仍然是一个关键挑战。石墨烯纳米片（GNPs）作为一种前沿的纳米增强材料，被认为是一种有前景的增强候选者。它们的优异机械性能，包括极高的模量和强度，以及独特的二维结构，正是这一优势的来源[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。然而，研究表明，单结构GNPs增强的复合材料仍难以实现强度和延展性的协同提升[28]、[29]、[30]、[31]。
为了解决这些挑战，出现了双峰结构设计概念，其中增强相的分布和基体微观结构的调节协同作用，从而优化了强度和延展性[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。例如，Nie等人[38]利用双峰结构设计克服了铝基复合材料中的强度-延展性冲突，Wang等人[39]通过双尺度结构改善了镁基复合材料的性能。同样，Li等人[40]利用异质结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金中的异质区相互作用激活了多种变形机制，克服了强度-延展性的权衡，S. Fida Hassan等人[41]采用混合-压制-烧结粉末冶金工艺开发了一种异质结构（HS）镁材料，实现了强度和延展性的优异平衡。此外，Yeon Beom Jeong等人[42]通过液态金属脱合金化合成了一种层次化的异质结构FeCr–(Mg–Mg?Ni)复合材料，获得了高屈服强度和显著的伸长率。火花等离子烧结（SPS）技术也被证明可以通过在界面形成TiC增强相来优化GNPs与基体之间的界面结合[43]、[44]、[45]、[46]。然而，特别是在GNPs增强的TMCs中，双峰结构设计的研究仍然有限。
本研究提出了一种用于GNPs增强TMCs的双峰结构设计策略，通过控制GNPs的分布和基体微观结构的调节，实现了强度和延展性的同时提升。结合实验和理论方法，这项研究深入探讨了双峰结构设计改善机械性能的机制，为高性能TMCs的发展提供了新的视角。
部分摘录
材料制备
在本研究中，选择了商业纯度钛TA1作为基体材料，多层石墨烯纳米片（GNPs）作为增强相。球形TA1粉末（直径为45-105 μm）由北京工成新材料科技有限公司提供，所用球形TA1粉末的详细化学成分见表1。多层石墨烯纳米片（GNPs）的横向直径为5–15 μm，纯度为99.9%
异质微观结构表征
为了获得具有HS的微观结构，样品在热轧后于650 °C下进行不同时间的退火处理，然后在水中淬火。通过金相显微镜和EBSD对微观结构的变化进行了表征。如图3所示，退火前，HR的微观结构由板状马氏体组成。退火后，样品发生了显著变化，形成了以再结晶区域为主的双峰结构
GNPs/TA1引起的HS对机械性能的影响
HS材料中强度-延展性的提升源于其特有的双峰结构，这种结构促进了HDI强化[54]。先前的研究证实，细晶金属材料（FG）的强度明显高于其粗晶（CG）对应材料[55]、[56]，尽管晶界效应往往会导致塑性不稳定并降低延展性[57]。为了解决这一限制，我们开发了一种结合细晶强化的策略
结论
为了解决MMCs中的强度-延展性难题，我们采用非均匀分布增强颗粒的方法来修改基体结构，与传统均匀分散的纳米颗粒不同。通过短时间球磨和SPS工艺，制备了初始的GNPs/TA1复合材料。随后的热轧和退火将均匀结构转变为具有高强度和优异延展性的两相异质钛基复合材料
CRediT作者贡献声明
任家禾：撰写 – 原稿。马新凯：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、正式分析。张家琪：方法学。肖磊：正式分析、概念化。李天硕：数据管理。冯腾峰：研究、正式分析。李卓：数据管理。邱春林：撰写 – 原稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52201142）、四川省科技计划（项目编号2025YFHZ0230）和中央高校基本科研业务费（项目编号2682024GF014）的支持。我们还要感谢西南交通大学分析测试中心提供的TEM表征服务。
