上海交大Nano Letters：超强高韧的仿生砖砌构型石墨烯/铝复合材料

近日，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室张荻院士、郭强教授团队联合韩国科学技术院（KAIST）Seunghwa Ryu教授团队，在高强韧金属基复合材料的研究方向取得重要突破，相关成果以“Ultrastrong and Deformable Aluminum-Based Composite Nanolaminates with Transformable Binary Intergranular Films”为题发表在Nano Letters上，并被甄选为内页封面论文。研究团队在仿生砖砌构型铝基复合材料中首次实现了超过1GPa的超高强度，接近铝基体强度的理论极限，且模量和能量耗散密度分比铝基体提高了20%和2.5倍，实现了强韧性同步提高的关联重构，支撑金属基复合材料在国家重大需求领域的关键应用。金属基复合材料国家重点实验室赵蕾助理教授和韩国科学技术院Taegu Lee博士为论文的共同第一作者，张荻院士、郭强教授和Seunghwa Ryu教授为共同通讯作者，上海交通大学为论文第一完成单位。

强度和韧性的“倒置关系”是长期以来制约金属基复合材料发展的瓶颈难题。在传统的金属基复合材料中，增强体通常随机、均匀地分布在金属基体中。这种均匀化复合虽然能够提高复合材料的模量和强度，但通常导致严重的应变局域化和界面应力集中，进而造成复合材料塑韧性的大幅降低。如何才能打破金属基复合材料强-韧性倒置关系矛盾，鱼与熊掌兼得？其解决方法之一，就是仿生构型化设计。与“均匀化”的传统复合设计理念不同，自然界的生物材料经过亿万年演化形成了“组分简单、结构精细”的复合构型，其强韧性匹配远高于人工复合材料。启迪于自然界贝壳珍珠层微纳砖砌构型带来的高强韧匹配效应，研究团队前期在金属基复合材料的仿生构型强韧化方向开展了大量的工作，研制了兼具高强度、高模量和高韧性的金属基复合材料。

图1 超强高韧的仿生纳米砖砌构型石墨烯/铝（GO/Al）复合材料组织与性能。（a）GO/Al复合材料横截面与复合界面的透射电子显微镜（TEM）图像。（b）GO/Al复合纳米柱（nanopillars）单轴压缩力学性能。（c）变形后GO/Al复合纳米柱横截面TEM形貌、GO的拉曼光谱和复合界面的高分辨TEM图像。（d）“比强度vs剪切模量/剪切屈服强度”对比图。图中数据对应本研究的GO/Al复合材料，以及文献报道的代表性高强金属材料。

在本工作中，研究团队以石墨烯-纯铝复合材料[氧化石墨烯(graphene oxide, GO)/铝(Al)]作为模型材料，通过逐层Al薄膜沉积-石墨烯旋涂技术，获得了Al单层厚度为30nm的GO/Al纳米砖砌构型复合材料。进而通过单轴压缩实验，在复合材料纳米柱中实现了超过1GPa的压缩强度，接近铝基体的理论强度，同时实现了超过30%的均匀压缩应变。结合高分辨透射电子显微技术（High-resolution transmission electron microscopy, HRTEM）、拉曼光谱-扫描电子显微镜联用技术（Raman spectroscopy & Scanning electron microscopy, Raman & SEM）和分子动力学模拟（Molecular dynamics simulation, MD），研究人员发现复合材料中超高的强度和塑性来源于纳米砖砌构型复合界面对位错形核与扩展的阻碍作用、应力诱导石墨烯晶态到非晶态转变引起的高能量耗散，以及纳米铝层与复合界面层之间的协同变形能力。

该进展发现了在仿生砖砌构型石墨烯/金属复合材料中，当金属基体特征尺度减小到与石墨烯增强体相当时，不仅可以实现接近理论值的超高强度，而且能够激活石墨烯非晶化的能量耗散新机制，促进增强体-基体的协同变形，避免界面应力集中，实现强度和韧性的协同提升。同时，该进展验证了在仿生构型化金属基复合材料中通过极限尺度设计实现极限性能的可行性，为轻质超优性能金属基复合材料的创制提供理论参考，支撑金属基复合材料在国家重大需求领域的关键应用。

本研究获得了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划等项目的资助。