西南交大蒋小松团队《Ceram Int》：协同增强具有双峰和高度取向层状复合材料
2024-08-12 16:06:05
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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金属基复合材料（MMCs）以金属或合金为基体，并利用嵌入单相或多相增强材料的增强工程，使结构功能多样化。MMC中复合材料结构的设计和增强材料的组合是增强工程中的重要因素，其目标是提高复合材料的性能，超越其单个组件的性能。通过仔细选择、排列和微调基体中的增强材料，可以设计出具有优异整体性能的复合材料。归功于SP2碳原子的杂化、强共价C-C键合以及易于被声子穿过的硬晶格结构，二维碳材料石墨烯（GNPs)及其多层堆叠产物石墨片（GFs）都表现出优异的机械、电气和导热增强优势，使它们成为提高MMC性能的材料。然而，GFs和GNPs在金属基复合材料中的强化效果往往低于预期，因为它们容易团聚，取向随意，与基体的界面不匹配。这些因素导致复合材料中结构缺陷的增加和载荷传递效率的降低。因此，有必要通过优化工艺来促进二维碳材料的均匀分散和定向分布。事实上，增强相的高度对齐和定向组装的结构受到珍珠贝片层组织的启发。这种结构通过在多个尺度上软相和硬相分层次来组装，从而形成高度分散、高度对齐和有序的增强相分布形式。复合材中有序分布的增强相可以有效地管理和分散应力，防止局部应变集中，抑制裂纹成核。不同尺寸的GFs和GNPs可以在基质缺陷处连接，形成三维渗流网络。这种三维网络可以有效减少声子散射，增加声子的平均自由范围，就像在基体中构建了许多高效的导热和导电路径，从而优化了复合材料的导热和导电效率。因此，设计仿生层状结构是实现微纳米级增强相有序组装的良好策略。在MMC中，材料中的特定几何排列或特殊设计是通过使用专门的制造方法来实现的，包括磁场引导、流变引导、自组装和共牵引，这些方法可以精确控制增强相的分布和取向。但是，必须认识到，单一方法可能具有固有的缺点。因此，应通过分步复合工艺优化该过程。西南交通大学蒋小松团队利用片状粉末冶金工艺，通过自组装和流变引导构建Cu/Ti3SiC2/C 类层状复合材料，该工艺通过二维碳材料的自适应性和基体流动辅助引导自取向来实现多尺度结构的精确定向组装。不同尺寸的GFs和GNPs具有尺寸双峰增强特性，它们在Cu基体的颗粒边界处平行或重叠或交错分布，从而形成有利于支撑裂纹和变形的双峰颗粒增强层状结构。文章重点研究了GFs和GNPs定向网络的形成机制以及增强网络对复合材料结构缺陷、载荷转移以及热电载流子迁移的影响，并通过双峰类层状结构的搭建来实现复合材料综合性能的优化。该论文题为“ Synergistic reinforcement of Cu/Ti3SiC2/C laminated-like composites with the bimodal and highly oriented graphite flake and graphene nanoplatelets”，发表在材料领域期刊《Ceramics International》(2024年影响因子5.026)。https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.06.138
文章采用片状粉末冶金和真空热压烧结法制备了不同GNPs含量的Cu/Ti3SiC2/C类层状复合材料。分析和讨论了双峰层状状结构的形成机理及其对复合材料机械性能、导热性能和导电性能的影响。结果表明，GFs和GNPs能够在层状结构中充分利用其双峰增强特性来增强复合材料的性能，其最佳拉伸强度、导热系数和导电系数分别为276.3 MPa、254.7 W m−1K−1和23.6 MS/m。双峰层状结构进一步增强了多相协同增强的优势,这种增强的效率与GFs和GNPs的对齐和连续性相关。此外，强大的界面键合有助于负载和热电载流子转移的稳定性。因此，优化GFs和GNPs与基体的界面键合有望促进复合材料性能的增长。
图1 双峰增强Cu/Ti3SiC2/C类层状复合材料中GFs和GNPs对齐度统计与拟合曲线
图2双峰增强Cu/Ti3SiC2/C类层状复合材料的机械性能：（a）显微硬度和相对密，（b）拉伸强度，（c）与类似复合材料的拉伸强度对比
图3 双峰增强Cu/Ti3SiC2/C类层状复合材料导热性能和导电性能
图4双峰增强Cu/Ti3SiC2/C类层状复合材料的TEM图像：(a,b)明场图像和EDS图谱，(c)Cu- Ti3SiC2界面的高分辨率图像，(d) Cu-TiC界面的高分辨率图像，(e) Ti3SiC2的衍射图样，(f, g)TiC的衍射图样和二次衍射图样，(h) Cu-Ti3SiC2界面反应示意图
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