層狀金屬基材料通過借助各組元層的復(fù)合效應(yīng)、增強(qiáng)相的尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)材料的高性能化及功能化。其中Cu/Ni層狀金屬復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、微型電池負(fù)極材料容器系統(tǒng)。但是傳統(tǒng)Cu/Ni層狀復(fù)合材料在熱軋復(fù)合成型過程中，由于高溫狀態(tài)下Cu和Ni原子在界面處的擴(kuò)散速率差別，會(huì)導(dǎo)致柯肯達(dá)爾孔洞發(fā)生。這一直限制著置換互溶體系的層狀金屬復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用。

自1947年，柯肯達(dá)爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來一直處于不慍不火狀態(tài)，2011年，殷亞東教授用做制備納米空心材料之后才煥發(fā)新春，然而，在冶金領(lǐng)域，它極大的影響層狀金屬復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，因此工程師致力于消除它。

近日，河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院能源裝備材料技術(shù)研究院殷福星教授團(tuán)隊(duì)在《Materials Science & Engineering A》上發(fā)布了一篇關(guān)于石墨烯薄膜調(diào)控Cu/Ni多層復(fù)合材料界面及力學(xué)性能的文章，題為“Thickness effect of graphene film on optimizing the interface and mechanical properties of Cu/Ni multilayer composites”。創(chuàng)造性的借助于石墨烯薄膜來消除柯肯達(dá)爾效應(yīng)，從而顯著的提升了熱軋Cu/Ni層狀復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性也獲得了明顯的提升。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140111

由于復(fù)合材料強(qiáng)化的主要原因?yàn)樵鰪?qiáng)體的有效承載以及打斷基體的塑性變形過程，增強(qiáng)體的含量，形貌以及分布對(duì)復(fù)合材料性能有著重要影響。此外，石墨烯的力學(xué)性能具有高度各向異性的特點(diǎn)，均勻分布的結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮材料復(fù)合構(gòu)型化的優(yōu)勢(shì)。因此，文中采用電沉積方法+溶液處理的方法將石墨烯引到層界面，通過調(diào)控電沉積參數(shù)，調(diào)控石墨烯薄膜厚度，進(jìn)而探討復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)的重要性。研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)厚度的石墨烯薄膜可以有效抑制了銅、鎳元素不對(duì)稱的擴(kuò)散行為，減少了柯肯達(dá)爾孔洞的形成，強(qiáng)化了銅/鎳界面的結(jié)合強(qiáng)度，有效抑制了鎳層的過早局部縮頸和斷裂破壞，從而使材料具有良好均勻的塑性變形能力。

圖1 石墨烯增強(qiáng)Cu/Ni多層復(fù)合材料制備過程示意圖

圖2 復(fù)合材料力學(xué)性能

圖3 復(fù)合材料的微觀組織

圖4 復(fù)合材料的界面微觀結(jié)構(gòu)

圖5 復(fù)合材料斷裂過程示意圖