▲https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112244
3D科学谷洞察
在航空航天、汽车、电子等行业的快速发展推动下，对高性能、轻量化材料的需求不断增加，石墨烯增强铝基金属材料的市场需求有望持续增长。石墨烯增强铝基金属材料的轻量化特性有助于降低能源消耗和减少碳排放，符合可持续发展的要求。石墨烯增强铝基金属材料具有轻质高强、高导热性和良好的耐腐蚀性等特点，可用于制造航空航天器的结构部件，如机翼、机身框架等，有助于减轻飞行器的重量，提高燃油效率，增强飞行性能。石墨烯增强铝基金属材料可用于制造电子设备的外壳、散热片等部件。其良好的导电性和导热性能够有效提高电子设备的散热效率，保证设备的稳定运行。此外，该材料还可用于制备高性能的电子封装材料，提高封装的可靠性和散热性能。”
协同增强
上海交通大学材料科学与工程学院孙宝德教授团队与香港城市大学杨涛教授团队合作，研究了一种通过选区激光熔化（SLM）技术制备的新型Al-Ce/石墨烯纳米片（GNPs）复合材料，重点探讨了其腐蚀行为及强度-延展性协同增强机制。
研究结果表明，GNPs的加入显著提高了复合材料的力学性能和耐腐蚀性。通过微观结构表征、力学性能测试和腐蚀行为分析，揭示了Al-Ce/GNPs复合材料的强化及腐蚀机理，为开发兼具优异强度-塑性匹配和耐腐蚀性能的材料提供了新思路。
图1 打印态与热处理态L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料显微组织
Al-Ce合金因其优异的铸造性能和耐热性能而备受关注，其增强相Al11Ce3在400℃以上仍能保持稳定。然而，熔铸Al-Ce合金的室温强度较低，即使在变形和热处理后强度也仅约为150 MPa。此外，大尺寸Al11Ce3相与Al基体之间的巨大电位差导致其耐腐蚀性较差。这些在强度和耐腐蚀性方面的不足严重制约了Al-Ce合金的工业化应用。
激光粉末床熔融（L-PBF）工艺是一种理想的增材制造技术，能够直接从CAD实体模型中制造金属部件，无需模具和工具。与传统铸造工艺不同，L-PBF工艺具有极高的冷却速率和逐层沉积的特点，能够改变组织形态和析出相尺寸。先前研究表明，采用L-PBF制备的具有原位纳米网络结构的Al-9.5Ce-0.6Mg合金表现出优异的可打印性。然而，尽管实际成形的Al-9.5Ce-0.6Mg合金强度提高至400 MPa，但其室温断裂伸长率仅为约6%，强度与塑性的匹配仍需进一步提升。此外，L-PBF制备的Al-Ce合金的腐蚀行为尚未得到充分研究。
铝基复合材料因其轻质、高强度和良好的耐腐蚀性，在航空航天、汽车工业等领域具有广泛应用前景。石墨烯纳米片（GNPs）因其优异的力学性能和化学稳定性，被认为是增强金属基复合材料的理想增强体。GNPs在铝基体中的均匀分布对于获得优异的塑性和耐腐蚀性至关重要。然而，传统制备方法（如熔铸和粉末冶金）通常会导致石墨烯在铝基体中团聚，进而导致塑性和耐蚀性下降。L-PBF技术通过微米级熔池的局部熔化和快速凝固，有效避免了GNPs的团聚，为制备兼具优异强度-延展性匹配和耐腐蚀性的铝基复合材料提供了新途径。
上海交通大学材料科学与工程学院孙宝德教授团队与香港城市大学杨涛教授团队合作，采用L-PBF技术制备了新型Al-9.5Ce-0.6Mg/0.7GNPs复合材料，并对复合材料进行了后续热处理。研究系统分析了Al-Ce/GNPs复合材料的微观组织形成与演变、力学性能及其在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀行为。
图2 打印态与热处理态L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料物相结构的原子尺度表征
图3 打印态与热处理态L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料TEM分析
基于多尺度表征，研究揭示了L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料的强化与腐蚀机理，为通过增材制造技术开发兼具优异强度-塑性匹配和耐腐蚀性能的材料提供了新思路。
图4 打印态与热处理态L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料APT分析
图5 L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料力学性能
图6 L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料电化学行为
图7 熔铸Al-Ce合金与L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料浸泡实验分析
图8 打印态与热处理态L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料断口处形貌与KAM分析
图9 熔铸Al-Ce合金与L-PBF Al-Ce/GNPs复合材料SKPFM分析
相关研究成果以“Unraveling the corrosion behavior and enhanced strength-ductility synergy mechanism of a novel GNPs/Al-Ce composite fabricated by selective laser melting”为题，发表于复合材料领域顶尖期刊《Composites Part B：Engineering》。论文第一作者为上海交通大学博士生彭朋，通讯作者为上海交通大学材料科学与工程学院高海燕研究员、香港城市大学材料科学与工程学院杨涛教授和鞠江博士后。
来源
材料学网 l
上海交通大学&香港城市大学：选区激光熔化制备新型Al-Ce/GNPs复合材料腐蚀行为与强塑性协同提升机制研究
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