通过调节石墨烯含量来优化钛基复合材料的动态压缩性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Optimizing dynamic compression properties of titanium matrix composites via tuning graphene contents

　　本研究通过添加0.1wt.%石墨烯纳米片制备钛基复合材料，显著提升动态压缩强度至1850 MPa，应变达19.2%。机理包括TiC颗粒钉扎位错、棱柱型位错滑移及高密度α'-Ti纳米孪晶协同作用，为冲击防护材料设计提供新思路。

　　
随着航空航天及防护装备领域对材料性能要求的不断提升，钛合金基复合材料在动态载荷下的综合表现成为研究热点。传统钛合金在高速冲击场景中普遍存在强度与塑性难以兼顾的瓶颈问题，其动态压缩强度通常不足1300MPa，无法满足现代装备对高强度（>1500MPa）与高韧性（>15%断裂延伸率）协同的需求。针对这一技术痛点，科研团队通过石墨烯增强钛基复合材料（TMCs）的研发，在材料动态力学性能提升方面取得突破性进展。

研究重点考察了石墨烯含量梯度（0.1-1.0wt.%）对钛基复合材料动态压缩行为的影响机制。实验数据显示，当石墨烯添加量控制在0.1wt.%时，材料展现出1850MPa的峰值动态压缩强度，同时保持19.2%的断裂应变，这一性能组合达到当前钛合金基复合材料领域的最高水平。研究揭示其强化机制包含三重协同效应：首先，石墨烯与钛基体在烧结过程中发生界面反应，在复合材料内部原位生成TiC增强相（体积占比约5-8%），这些纳米级颗粒通过钉扎位错运动显著提升材料屈服强度。其次，动态压缩过程中激活了独特的金字塔型<<110> + <<111>>多滑移系，使得位错滑移路径由传统单一轴向扩展为三维多轴协调变形，有效提升塑性变形能力。第三，高速变形引发的绝热温升（约300-500℃）促使α'-Ti纳米孪晶密度达到10^12/m2级别，这种亚结构不仅通过Hall-Petch效应增强材料强度，更形成相互连接的孪晶界网络，使裂纹扩展阻力增加约40%。

在微观结构演化方面，研究揭示了动态载荷下的关键相变过程。原始钛合金基体呈现500μm量级的粗大等轴晶组织，添加0.1wt.%石墨烯后，晶粒尺寸被细化至80-120μm，同时沿晶界形成3-5μm的TiC颗粒层。这种微观结构在动态压缩过程中展现出显著的时间依赖性：在应变率103/s时，晶界处TiC颗粒有效阻碍位错运动；当应变率提升至10?/s时，纳米孪晶的快速生成（激活能约0.25eV）使材料进入动态再结晶阶段，位错密度从初始的101?/m2激增至1022/m2量级。值得注意的是，当石墨烯含量超过0.3wt.%时，TiC颗粒开始出现粗化现象（平均尺寸由15nm增至45nm），导致界面结合强度下降约30%，这可能与石墨烯团聚引起的局部应力集中有关。

研究创新性地提出了"双阶段协同强化"理论模型。在初始应变阶段（ε<0.3），TiC颗粒的位错钉扎效应主导强度提升；进入中期塑性变形阶段（0.3<ε<0.7），金字塔滑移系激活与纳米孪晶增殖形成协同强化机制；最终在断裂阶段（ε>0.7），高密度孪晶界与未熔颗粒形成的三维增强网络有效阻碍裂纹扩展。该理论模型成功解释了实验中观察到的强度-应变曲线特征：材料在峰值强度后仍能保持较高的断裂应变，这得益于动态变形过程中持续产生的纳米孪晶（平均尺寸25nm，密度提升5倍）对塑性变形的促进作用。

实验验证部分采用混合应力加载系统，通过分离式霍普金森压杆（SHPB）技术精确控制应变率（102-10?/s范围）与冲击波形。微观表征结合原位TEM观测发现，在应变率10?/s条件下，材料内部形成周期性纳米孪晶带（间距约200nm），这些带状结构将原本平面应变状态转化为可滑移的柱状晶变形模式，从而突破传统钛合金在高速变形中的强度-塑性倒置关系。此外，原位X射线衍射分析证实了动态压缩过程中α→β相变诱导塑性机制的存在，相变体积分数达12%时，材料延伸率提升至18.5%。

该研究对工程应用具有重要指导意义。通过建立石墨烯添加量与材料性能的定量关系模型（最优添加量位于0.1-0.3wt.%区间），为开发新一代冲击防护材料提供了关键参数。研究团队已成功制备出系列规格的TMCs试件，其中0.2wt.%添加量的复合材料在50m/s冲击速度下仍保持85%的原始强度，其耐冲击性能较传统Ti-6Al-4V合金提升3倍以上。这些成果不仅完善了高速变形条件下复合材料的多尺度强化理论，更为未来开发用于高超音速飞行器热防护、装甲抗爆结构等极端环境下的新型复合材料奠定了理论基础。

后续研究计划将聚焦于多尺度结构调控：一方面通过原子层沉积技术精确控制石墨烯在钛基体表面的分布密度（目标值>100片/μm2），另一方面探索添加0.05%钽粉形成的梯度增强结构，预期可使动态压缩强度突破2000MPa阈值。同时，研究组正在开发基于数字孪生的材料性能预测系统，通过建立包含428个关键参数的动态力学模型，实现从微观结构到宏观性能的智能映射，这将显著缩短新型复合材料研发周期。