鈦及鈦合金是20世紀50年代初期開始發(fā)展與應用的重要金屬結構材料，由于具有比強度高、耐蝕性好和使用溫度寬等優(yōu)異特性，迅速成為航空航天領域的關鍵材料，特別是分別用于飛機及發(fā)動機中要求強度高和耐更高溫度的零部件，可以取得良好的減重效益。鈦合金的應用數(shù)量和水平已成為衡量武器裝備先進程度、影響武器裝備戰(zhàn)備性能的重要指標，如美國第四代戰(zhàn)斗機F-22上鈦合金用量已經(jīng)達到整機結構總質(zhì)量的41%左右。當前隨著航空裝備等領域的不斷發(fā)展，對材料的綜合性能要求不斷提高，采用傳統(tǒng)工藝技術制備鈦合金的性能已經(jīng)接近或達到了理論極限，研究者試圖通過激光熔覆、微弧氧化等表面改性技術和合金化手段等來提高鈦合金表面的耐磨性和耐高溫性能，然而表面處理的鈦合金基體的綜合力學性能并未顯著改善。為了從根本上提升鈦合金制件綜合力學性能，常采用添加適當?shù)募{米顆粒或陶瓷增強相等方法，而相比于傳統(tǒng)陶瓷增強相，二維碳納米石墨烯材料具有低密度、高比強度、高熱導和自潤滑等優(yōu)異特性，近年來受到廣泛關注。

弭光寶等在《航空材料學報》發(fā)表評述論文《石墨烯增強鈦基復合材料界面調(diào)控及強韌化機理研究進展》。作者梳理出石墨烯增強鈦基復合材料潛在應用領域和制約因素，見圖1。重點介紹石墨烯增強鈦基復合材料微觀組織、界面特征以及靜態(tài)/動態(tài)力學性能、摩擦磨損、抗氧化性能和石墨烯強韌化機理等方面的研究進展，探討現(xiàn)階段解決石墨烯增強鈦基復合材料分散均勻性、界面結合性和組織致密性的方案和優(yōu)缺點，最后指出該類型材料在界面調(diào)控、大規(guī)模制備和性能穩(wěn)定性等方面技術面臨的挑戰(zhàn)。

圖1 石墨烯增強鈦基復合材料潛在應用領域和制約因素

石墨烯增強鈦基復合材料開始研究距今尚不到10年，并未形成完整的研究體系，一方面制備的材料性能并不穩(wěn)定，另一方面對性能的研究及數(shù)據(jù)積累不充分，其中一條重要的原因是界面反應控制、分散均勻性和組織致密性等問題仍然制約著該材料體系的進一步發(fā)展。因此，未來重點在以下5個方面開展研究：

（1）采用實驗與第一性原理和分子動力學等理論計算相結合，深入研究石墨烯與鈦/鈦鋁合金的界面反應機理和強韌化機理等基本理論，完善三維界面結構和準連續(xù)網(wǎng)絡組織特征的反應控制技術，進一步優(yōu)化和提升材料綜合性能；

（2）在溶液攪拌法和熱等靜壓成型的基礎上，研究GO的少缺陷甚至無缺陷還原工藝，探索石墨烯分散均勻性、團聚程度、界面反應程度和致密性可接受的大規(guī)格高石墨烯含量的石墨烯增強鈦基復合材料高效制備技術；

（3）將石墨烯作為碳源，設計制備新型石墨烯改性含碳先進鈦合金，探索高溫長時處理工藝，提高組織、界面和性能的穩(wěn)定性；

（4）對目前較少或尚未開展的高溫性能、動態(tài)性能、熱穩(wěn)定性、抗蠕變和疲勞性能等進行系統(tǒng)研究，挖掘石墨烯增強鈦基復合材料復雜工況下的應用潛力；

（5）建立可制備復合結構與功能一體化構件的石墨烯增強鈦基復合材料3D打印等新技術。

石墨烯增強鈦基復合材料界面調(diào)控及強韌化機理研究進展

弭光寶, 陳航, 李培杰, 曹春曉

2023, 43(6): 20 -35   

doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000150