改性石墨烯/铝界面强度与韧性的协同机制：分子动力学研究

《Applied Surface Science》：Synergistic mechanism of strength and toughness at the modified graphene/aluminium interface: a molecular dynamics study

　　

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  褶皱和官能团增强石墨烯/铝界面的强度 - 韧性。
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  增强 - 退化竞争调节界面机械性能。
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  链长控制退化效应速率，且存在最佳覆盖率。
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  韧性峰值出现更早，退化效应首先损害能量耗散。
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  拔出功对退化的敏感度高于界面强度。

引言

铝 (Al) 及其合金具有低密度 [1], [2]、高比强度 [3], [4]、优异的热电导率 [5] 以及出色的环境稳定性 [6], [7]。因此，它们被广泛应用于航空航天 [8], [9]、交通运输 [10], [11]、功率电子 [12], [13] 和军事设备 [14], [15] 等关键领域。然而，随着现代工业对更轻、性能更高材料的需求日益增加，传统铝合金难以满足严苛服役条件下的强度和多功能性要求。传统的强化方法，如晶粒细化 [16]、固溶强化 [17] 和沉淀强化 [18]，往往面临强度与韧性之间的权衡，即增加强度通常会导致韧性丧失 [19], [20]。由于其卓越的机械性能（杨氏模量～1 TPa，强度～130 GPa）和巨大的比表面积，石墨烯受到了研究人员的广泛关注 [21], [22], [23]，被视为金属基复合材料 (MMCs) 的理想纳米增强相 [24], [25], [26]。将少量石墨烯掺入金属基体（如铝、铜、钛）中可显著改善复合材料的机械性能 [27], [28], [29]。

石墨烯/铝复合材料的机械性能已通过实验 [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38] 和数值模拟 [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47] 得到了广泛研究。石墨烯对铝基体的增强作用体现在强度、韧性等多个方面。2012 年，Wang 等人 [30] 利用片状粉末冶金成功制备了石墨烯纳米片增强的铝复合材料。仅含 0.3 wt% 石墨烯的复合材料即可达到 249 MPa 的抗拉强度，比纯铝基体高出 62%。2014 年，Zhao 等人 [31] 采用室温高压扭转制备了石墨烯纳米片增强的铝基复合材料，实现了石墨烯片的均匀分散、显著的晶粒细化以及硬度和抗拉强度的提高。他们随后的研究 [32] 进一步报道，仅添加 0.5 wt% 石墨烯即可将纯铝的晶粒尺寸从 500 nm 减小到 100 nm，而复合材料的抗拉强度达到 197 MPa。Prakash 等人 [33] 使用搅拌铸造制备了含有不同石墨烯纳米片含量的铝基复合材料。他们发现，添加 1 wt% 石墨烯使抗拉强度提高了 38.80%，屈服强度提高了 56.07%。Tanaka 等人 [34] 进一步发现，抗拉强度超过 300 MPa 的纳米层状石墨烯/铝复合材料表现出高于 20 $\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}\sqrt{\mathrm{m}}$ 的断裂韧性，突破了纯铝的强度 - 韧性权衡。

然而，上述实验研究主要关注宏观机械性能的改善，而原子尺度的界面行为仍然难以通过实验手段直接观察。为了克服这一限制，数值模拟已成为理解石墨烯/铝复合材料微观强化机制的重要工具。在模拟方法中，分子动力学 (MD) 模拟对于研究纳米尺度 MMCs 的机械性能和增韧机制尤为强大。它可以在原子尺度上揭示应力如何从基体通过界面转移到石墨烯，以及界面失效如何起始和扩展。Wang 等人 [39] 研究了多层石墨烯对单轴拉伸下铝基复合材料机械行为的影响。他们的结果表明，石墨烯层有效阻碍了界面处的位错传播，显著提高了复合材料的刚度和强度。Zhu 等人 [40] 专注于层状石墨烯/铝复合材料的增韧机制。他们的压缩模拟揭示，石墨烯层不仅增强了材料，还阻碍了跨层的位错传播，促进了铝层内大量短位错线的形成。这种位错结构增强了强度，同时避免