混合二氧化钛（TiO2）与石墨烯纳米片（GNP）增强ZE42镁基复合材料的力学性能、微观结构形貌特性及基于COPRAS方法的多目标优化研究——面向轻量化结构件应用

《Journal of Materials Research and Technology》：Investigating the Mechanical, Microstructural Morphological Properties, and Multi Objective Optimization of Hybrid Titanium Oxide and Graphene Nanoplatelets Reinforced ZE42 Magnesium Composites for Lightweight Structural Components using COPRAS method

　　

本研究探究了混合二氧化钛（TiO2）–石墨烯纳米片（GNP）增强相对ZE42镁合金微观结构与力学性能的影响，并采用COPRAS方法确定了最优增强组成。研究人员通过搅拌铸造法制备了含固定4 wt.% TiO2及不同GNP含量（1–6 wt.%）的ZE42基复合材料。从硬度、最大抗压强度、压缩屈服强度、最大抗拉强度和拉伸屈服强度方面评估了力学性能。结果表明，随着GNP含量增加至4 wt.%，所有力学性能均逐步提升。ZE42 + 4 wt.% TiO2 + 4 wt.% GNP（S6）复合材料表现出最高的硬度（87.12 BHN）、最大抗压强度（333 MPa）、压缩屈服强度（228 MPa）、最大抗拉强度（246.566 MPa）和拉伸屈服强度（218.963 MPa）。进一步增加GNP含量因团聚和非均匀分散导致性能略有下降。COPRAS（Complex Proportional Assessment）方法将S6确定为最优组成，其效用度为100%。微观结构分析证实了晶粒细化、增强相掺入及有效的界面结合。

一、研究背景与意义

镁（Mg）及其合金因其低密度、高比强度、良好的阻尼性能和优异的机械加工性，在航空航天、汽车和生物医学等现代工程领域受到广泛关注。然而，传统镁合金普遍存在力学性能较差、耐磨性和抗蠕变性不足等问题，限制了其更广泛的工业应用。为克服这些缺陷，研究人员聚焦于通过开发陶瓷及纳米材料增强的镁基金属基复合材料（MMMCs）来提升镁合金的性能。在众多镁合金中，ZE42镁合金（含锌Zn、稀土元素Ce和锆Zr）因其优异的铸造性、较好的耐腐蚀性和适中的力学性能而备受关注，但其硬度、抗拉强度和耐磨性仍需进一步提升以满足现代工程系统的苛刻需求。因此，本研究旨在通过引入混合增强相来改善ZE42合金的综合性能。

二、研究目的与创新点

本研究的核心目标是探究混合二氧化钛（TiO₂）和石墨烯纳米片（GNP）增强相对ZE42镁基复合材料微观结构和力学性能的影响，并利用COPRAS（Complex Proportional Assessment）多准则决策方法确定最优的增强体组成，以期为轻量化结构部件提供高性能材料方案。该研究创新性地采用了陶瓷颗粒（TiO₂）与碳基纳米材料（GNP）协同增强的策略，期望发挥两者的互补优势：TiO₂提供结构稳定性和晶粒细化作用，而GNP则提升强度、韧性及导电导热性能。

三、关键技术方法

研究人员采用搅拌铸造法（stir casting）制备了系列ZE42基复合材料。具体工艺包括：在氩气保护下于700℃熔化ZE42合金锭，将预热的TiO₂纳米颗粒（平均粒径50-180 nm）和GNP（平均厚度10-15 nm）先后加入熔体中，通过涡流辅助搅拌系统（转速1500-3000 rpm）实现均匀分散，随后浇铸至预热铸铁模具中凝固成型。复合材料样品经线切割加工后，依据ASTM标准进行硬度（布氏硬度BHN）、压缩和拉伸力学性能测试，并利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）进行微观结构表征。最终采用COPRAS方法对八种不同组成的复合材料（S1-S8）进行多目标优化排序。

四、主要研究结果

• •
  强化机制分析：TiO₂颗粒和GNP通过有效载荷传递、晶粒细化和位错钉扎等机制共同提升复合材料力学性能。这些机制限制了塑性变形和位错运动，从而提高了硬度和强度。
• •
  硬度影响：硬度从基体合金（S1，60.56 BHN）到S6（87.12 BHN）持续增加，之后在高GNP含量（S7-S8）时略有下降。硬度提升归因于硬质陶瓷颗粒的掺入、霍尔-佩奇（Hall-Petch）关系引起的晶粒细化、奥罗万（Orowan）强化以及热膨胀系数不匹配导致的位错强化。超过4 wt.% GNP后的下降是由于GNP团聚和非均匀分布所致。
• •
  抗压强度影响：最大抗压强度和压缩屈服强度同样呈现从S1到S6稳步增长、S7-S8轻微降低的趋势。S6达到峰值（最大抗压强度333 MPa，压缩屈服强度228 MPa），这得益于多种强化机制的协同作用。高GNP含量下的性能下降归因于团聚引起的应力集中和载荷传递效率降低。
• •
  抗拉强度影响：最大抗拉强度（MTS）和拉伸屈服强度（TYS）的变化规律与抗压强度一致，均在S6达到最大值（MTS 246.566 MPa，TYS 218.963 MPa）。研究表明，4 wt.% TiO₂与4 wt.% GNP的组合实现了增强体含量、分散性与界面载荷传递之间的最佳平衡。
• •
  COPRAS优化结果：基于五个力学性能指标（均为越高越好型），采用等权重（各0.2）的COPRAS方法计算了各试样的效用度（N_i）。结果显示S6的效用度最高（100%），被确定为最优组成。排名顺序为：S6 > S7 (97.29%) > S8 (95.79%) > S5 (94.35%) > S4 (88.88%) > S3 (86.56%) > S2 (83.32%) > S1 (80.33%)。该排序定量证明了4 wt.% GNP是最佳添加量，过量添加会导致性能退化。
• •
  微观结构分析：
  • •
    基体合金（S1）：呈现不均匀的铸造组织，包含富镁基体和弥散分布的二次相/金属间化合物。EDS确认主要元素为Mg、Zn、Ti、Zr。XRD显示典型的α-Mg晶体结构。
  • •
    其他试样（S2-S5, S7, S8）：光学显微图和SEM图像显示，随着GNP含量增加，增强相分布逐渐改善直至S5，但在S7和S8中出现明显的GNP团簇和非均匀分布现象。
  • •
    最优试样（S6）：光学显微图显示均匀细化的微观结构。EDS光谱证实了Mg、Ti、C、Zn、Zr和Ce的存在。XRD图谱同时检测到α-Mg、锐钛矿型TiO₂和GNP的特征峰，证实了增强相的成功掺入。SEM图像显示TiO₂颗粒（亮色对比）和GNP薄层（片状结构）在基体中分布相对均匀，界面结合良好，无明显孔隙和严重团聚。

五、结论

本研究通过搅拌铸造法成功制备了含固定4 wt.% TiO₂和不同GNP含量（1-6 wt.%）的ZE42镁基复合材料。实验结果表明，混合增强相显著改善了ZE42合金的微观结构细化程度、硬度、抗压强度和抗拉强度。在所有开发的复合材料中，ZE42 + 4 wt.% TiO₂ + 4 wt.% GNP（S6）展现出最佳综合性能，其硬度和力学强度值均为最高。光学显微镜、EDS、XRD和SEM分析证实，TiO₂和GNP增强相分布相对均匀，形成了更致密的微观结构。然而，当GNP含量超过4 wt.%时，由于团聚和非均匀分散，力学性能出现下降。