AA6061-SiC-石墨烯杂化复合材料的开发与性能评估：面向轻量化汽车结构应用的创新解决方案

本研究针对汽车轻量化需求，通过搅拌铸造法制备AA6061-SiC-石墨(Gr)杂化金属基复合材料(MMCs)，系统探究了0-4 wt%增强相(等比例SiC/Gr)对材料性能的影响。结果表明：4 wt%复合材料的密度降低3.33%(2.61 g/cm3)，布氏硬度提升80%(55.27 BHN)，抗压强度提高36.76%(441.6 MPa)，且在3.5 wt% NaCl溶液中腐蚀率降低21.57%。该研究为汽车轻量化结构件提供了强度-耐蚀性-减重协同优化的新材料方案。

　　

在汽车工业追求节能减排的大背景下，轻量化材料研发成为关键突破口。传统铝合金AA6061虽具有优良的强度重量比，但其力学性能和耐蚀性仍难以满足高端结构件需求。金属基复合材料(MMCs)通过引入增强相可显著提升性能，但单一增强相往往导致性能失衡——如碳化硅(SiC)虽能提高硬度却会降低韧性，而石墨(Gr)的润滑特性虽改善耐磨性却可能削弱强度。更棘手的是，现有研究多聚焦单一增强体系，对SiC-Gr杂化系统的协同效应，特别是腐蚀行为的研究存在明显空白。

针对这些问题，来自印度Manav Rachna国际研究院的Dinesh Chawla团队在《Next Materials》发表研究，采用搅拌铸造法开发了AA6061-SiC-Gr杂化复合材料。研究创新性地采用5μm SiC与25μm Gr的微米级混合增强体系，通过系统表征揭示了材料的结构-性能关系。

关键技术方法包括：采用光谱分析(FTIR-ATR)鉴定化学键合，X射线衍射(XRD)进行物相分析，光学显微镜和扫描电镜(SEM-EDX)观察微观结构，布氏硬度测试和万能试验机(UTM)评估力学性能，以及按ASTM G31标准进行168小时盐雾腐蚀实验。

【4.1 FTIR-ATR结果】

通过傅里叶变换红外光谱发现3000-2900 cm^-1处的Si-Al-C伸缩振动峰，证实SiC成功嵌入基体。1394 cm^-1的Si-Al键特征峰表明增强相与基体形成稳定界面，为性能提升奠定基础。

【4.5 光学显微镜】

显微图像显示增强相分布均匀，但4 wt%样品出现轻微团聚。这种可控的分散状态得益于300 rpm高速搅拌形成的涡流效应，有效克服了Gr密度差异导致的浮选问题。

【4.6 XRD分析】

衍射图谱在38°(Al)、66°(SiC)和27°(C)出现特征峰，未检测到有害金属间化合物。随着增强相含量增加，Gr峰强度从90(1 wt%)线性增至300(4 wt%)，证实成分可控性。

【4.7 SEM-EDX分析】

电镜显示SiC/Gr颗粒均匀嵌入基体，元素面扫描证实Al、Si、C的均匀分布。4 wt%样品出现轻微孔隙，归因于Gr的润滑特性导致抛光过程中部分粒子脱落。

【4.8 密度与硬度】

4 wt%复合材料密度降至2.61 g/cm³，同时硬度跃升55.27 BHN。这种"减重增强"效应源于：(1)SiC阻碍位错运动的Orowan强化机制；(2)Gr细化晶粒；(3)Al(21.3×10^-6/°C)与SiC(2.3×10^-6/°C)的热膨胀系数差异引发残余应力强化。

【4.9 抗压强度】

抗压强度从基体的322.83 MPa提升至441.6 MPa(4 wt%)。Gr的固体润滑特性延缓了屈服发生，而SiC通过载荷传递机制承受主要应力，二者协同作用实现强度-延展性平衡。

【4.10 冲击强度】

冲击功从9.45 N·m(基体)降至8.1 N·m(4 wt%)，归因于Gr的脆性本质。但降幅控制在14.3%，表明杂化体系有效缓解了陶瓷增强相常见的脆化问题。

【4.11 腐蚀行为】

168小时盐雾实验中，4 wt%样品的腐蚀速率最低(0.1192 mm/年)，较基体降低21.57%。SiC的化学惰性与Gr促进的稳定氧化层共同构建了双重防护机制。

这项研究的重要意义在于：首次系统评估了微米级SiC-Gr杂化增强AA6061的综合性能，特别是填补了腐蚀行为研究的空白。通过精确控制增强相比例(≤4 wt%)和搅拌参数(300 rpm)，实现了增强相均匀分散与界面优化。所开发的材料密度降低3.33%的同时，硬度提升80%、抗压强度提高36.76%，且耐蚀性显著增强，为汽车底盘、悬挂系统等承重部件提供了理想材料解决方案。研究采用的搅拌铸造法具有工业化推广潜力，为大规模生产高性能MMCs提供了技术参考。

值得注意的是，该工作也存在局限性：超过4 wt%增强相会导致Gr团聚，且冲击韧性仍有改进空间。未来研究可探索纳米增强相或表面改性技术，进一步优化性能平衡。这些发现为下一代轻量化汽车材料的开发指明了方向，对推动交通运输业可持续发展具有重要价值。