摘要：近年来，随着材料科学的迅速发展，石墨烯作为一种新型的二维材料，因其优异的力学性能和独特的电子特性，逐渐成为研究的热点。石墨烯不仅具有极高的强度和韧性，还展现出良好的导电性和导热性，使其在复合材料的增强中具有广泛的应用前景。尤其是在多主元合金（MPEAs）中，石

1研究背景

近年来，随着材料科学的迅速发展，石墨烯作为一种新型的二维材料，因其优异的力学性能和独特的电子特性，逐渐成为研究的热点。石墨烯不仅具有极高的强度和韧性，还展现出良好的导电性和导热性，使其在复合材料的增强中具有广泛的应用前景。尤其是在多主元合金（MPEAs）中，石墨烯的引入为材料的性能提升提供了新的可能性。多主元合金因其高配置熵而展现出优异的机械性能，近年来在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛关注。然而，MPEAs的复杂成分和结构使得其在塑性变形和强度提升方面的研究变得更加复杂。传统的金属基复合材料虽然在力学性能上有所提升，但在微观机制上仍存在许多未解之谜。特别是，金属与石墨烯的界面特性、位错行为及其相互作用尚未得到充分的理解。

2成果简介

在这项研究中，研究人员采用分子动力学模拟方法，系统地研究了CoCrNi/石墨烯复合材料的界面特性和位错行为。研究发现，石墨烯薄膜在金属基体与石墨烯界面处形成了六种不同的堆垛结构，这些结构的存在显著影响了位错的成核和传播行为。通过对比不同的界面模型，包括伪纯金属/石墨烯、随机固溶体CoCrNi/石墨烯和具有化学短程有序的CoCrNi/石墨烯，研究人员揭示了晶格畸变和化学不均匀性对界面结构和位错成核的影响。研究表明，位错的成核不仅依赖于高的施密特因子，还受到界面缺陷网络中位错应力和取向的影响。尽管晶格畸变和短程有序并未改变成核位置，但它们通过改变局部化学环境和剪切应力，导致了异质成核模式的形成。此外，石墨烯的扭转角度对位错成核也有显著影响，研究人员发现，当石墨烯的扭转角度超过10°时，界面处的莫尔图案消失，导致位错成核位置的随机化。研究还探讨了石墨烯尺寸对位错传播行为的影响。结果显示，有限尺寸的石墨烯在位错传播过程中表现出阻碍作用，而无限尺寸的石墨烯则主要通过界面阻碍和位错成核来提升材料的强度和延展性。这一发现为理解石墨烯在MPEA复合材料中的作用提供了重要的原子级视角。

3图文导读

图1 (a)：伪纯金属平均原子（A-原子）/石墨烯模型的界面结构。图1 (b)：随机固溶体（RSS）CoCrNi/石墨烯模型的界面结构。图1 (c)：具有化学短程有序（SRO）的CoCrNi/石墨烯模型的界面结构。图1 (d)：单层石墨烯模型，其中A原子、Co、Cr、Ni和C原子分别用青色、蓝色、黄色、红色和灰色表示。图1 (e)：三种基体的第一峰径向分布函数（RDF）g(r)，插图显示了半高宽（FWHM）。图1 (f)：CoCrNi中两种典型化学SRO参数随蒙特卡洛（MC）循环步数的变化，展示了MC过程的收敛性和Ni-Ni及Co-Cr SRO的引入。

图2 (a)：RSS CoCrNi/石墨烯模型的局部界面莫尔图案。图2 (b)：对应的剪切应力τ xz 分布。图2 (c)：不同扭转角度下石墨烯的示意图，扭转角度从锯齿方向到扶手椅方向沿X轴变化。

图3 (a)：LGr/Ly = 0.17的RSS CoCrNi/石墨烯模型，插图显示了晶体结构。图3 (b)：模型的界面结构，莫尔图案仅出现在石墨烯覆盖区域。图3 (c)：LGr/Ly = 1的RSS CoCrNi/石墨烯模型，即图1(b)中的模型。图3 (d)：对应的界面莫尔图案，此处更为完整。

图4 (a)：A-原子/石墨烯界面的莫尔图案，金属原子均匀着色为金黄色，灰色原子代表石墨烯。图4 (b)：RSS/石墨烯界面的莫尔图案，与A-原子/石墨烯界面相比，莫尔图案的边界变得粗糙和扭曲。

4小结

本研究通过原子级模拟，深入探讨了石墨烯薄膜在CoCrNi/石墨烯复合材料中的作用，揭示了其在位错成核和界面行为中的关键机制。研究结果表明，石墨烯的引入不仅改善了材料的力学性能，还通过影响位错的成核和传播行为，增强了复合材料的强度和延展性。特别是，界面结构的复杂性和石墨烯的扭转角度对位错行为的影响，强调了在设计新型复合材料时考虑微观结构的重要性。此外，研究还指出，石墨烯的尺寸和形状对位错传播的影响，提供了在未来材料设计中优化石墨烯增强效果的潜在方向。总之，这项研究为理解MPEA/石墨烯复合材料的微观机制提供了重要的理论基础，并为未来的材料开发和应用提供了新的思路。

来源：材料研究进展

来源：石墨烯联盟