钛及钛合金是20世纪50年代初期开始发展与应用的重要金属结构材料，由于具有比强度高、耐蚀性好和使用温度宽等优异特性，迅速成为航空航天领域的关键材料，特别是分别用于飞机及发动机中要求强度高和耐更高温度的零部件，可以取得良好的减重效益。钛合金的应用数量和水平已成为衡量武器装备先进程度、影响武器装备战备性能的重要指标，如美国第四代战斗机F-22上钛合金用量已经达到整机结构总质量的41%左右。当前随着航空装备等领域的不断发展，对材料的综合性能要求不断提高，采用传统工艺技术制备钛合金的性能已经接近或达到了理论极限，研究者试图通过激光熔覆、微弧氧化等表面改性技术和合金化手段等来提高钛合金表面的耐磨性和耐高温性能，然而表面处理的钛合金基体的综合力学性能并未显著改善。为了从根本上提升钛合金制件综合力学性能，常采用添加适当的纳米颗粒或陶瓷增强相等方法，而相比于传统陶瓷增强相，二维碳纳米石墨烯材料具有低密度、高比强度、高热导和自润滑等优异特性，近年来受到广泛关注。

弭光宝等在《航空材料学报》发表评述论文《石墨烯增强钛基复合材料界面调控及强韧化机理研究进展》。作者梳理出石墨烯增强钛基复合材料潜在应用领域和制约因素，见图1。重点介绍石墨烯增强钛基复合材料微观组织、界面特征以及静态/动态力学性能、摩擦磨损、抗氧化性能和石墨烯强韧化机理等方面的研究进展，探讨现阶段解决石墨烯增强钛基复合材料分散均匀性、界面结合性和组织致密性的方案和优缺点，最后指出该类型材料在界面调控、大规模制备和性能稳定性等方面技术面临的挑战。

图1 石墨烯增强钛基复合材料潜在应用领域和制约因素

石墨烯增强钛基复合材料开始研究距今尚不到10年，并未形成完整的研究体系，一方面制备的材料性能并不稳定，另一方面对性能的研究及数据积累不充分，其中一条重要的原因是界面反应控制、分散均匀性和组织致密性等问题仍然制约着该材料体系的进一步发展。因此，未来重点在以下5个方面开展研究：

（1）采用实验与第一性原理和分子动力学等理论计算相结合，深入研究石墨烯与钛/钛铝合金的界面反应机理和强韧化机理等基本理论，完善三维界面结构和准连续网络组织特征的反应控制技术，进一步优化和提升材料综合性能；

（2）在溶液搅拌法和热等静压成型的基础上，研究GO的少缺陷甚至无缺陷还原工艺，探索石墨烯分散均匀性、团聚程度、界面反应程度和致密性可接受的大规格高石墨烯含量的石墨烯增强钛基复合材料高效制备技术；

（3）将石墨烯作为碳源，设计制备新型石墨烯改性含碳先进钛合金，探索高温长时处理工艺，提高组织、界面和性能的稳定性；

（4）对目前较少或尚未开展的高温性能、动态性能、热稳定性、抗蠕变和疲劳性能等进行系统研究，挖掘石墨烯增强钛基复合材料复杂工况下的应用潜力；

（5）建立可制备复合结构与功能一体化构件的石墨烯增强钛基复合材料3D打印等新技术。

石墨烯增强钛基复合材料界面调控及强韧化机理研究进展

弭光宝, 陈航, 李培杰, 曹春晓

2023, 43(6): 20 -35   

doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000150