英文原题：Homogeneously Dispersed Graphene Nanoplatelets as Long-Term Corrosion Inhibitors for Aluminum Matrix Composites（全文链接）
通讯作者：黄永宪，哈尔滨工业大学
作者：Yuming Xie（谢聿铭），Xiangchen Meng（孟祥晨），Dongxin Mao（冒冬鑫），Zhiwei Qin（秦志伟），Long Wan（万龙），Yongxian Huang（黄永宪）
作为一种典型的碳质纳米材料，石墨烯纳米片（GNPs）因其优异的比强度和刚度在新一代铝基复合材料中展现出了巨大的应用潜力。相较于传统微/纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料，GNPs其独特的二维结构和超高比表面积带来了显著的载荷传递效应，从而进一步提高了复合材料的综合承载能力。然而，由于GNPs与铝基体之间存在较大的电化学活性差异，其在复杂应用环境下往往容易呈现出电偶腐蚀行为，从而提高了其自腐蚀速率，这严重制约了铝基复合材料在诸如轻质航天关键器件、铝离子电池阳极等领域的应用。
针对上述难题， 哈尔滨工业大学黄永宪教授团队受到传统铝合金可通过抑制晶界沉淀相偏聚以提高耐腐蚀性的现象启发，结合前期研究工作，提出全新“ 多相粉末原位固相复合化”制备手段——形变驱动冶金技术（Deformation-driven metallurgy，图1）， 兼顾固相粉末冶金与搅拌摩擦大塑性形变双重优势，实现了具有GNPs匀分布特性的铝基复合材料的制备。通过微观组织表征与耐腐蚀性能表征评价了复合材料的GNPs分布特性与耐腐蚀性强化行为，并基于密度泛函理论（DFT）评估了碳原子掺杂氧化铝薄膜的耐腐蚀变化，揭示了其长效耐腐蚀机制
如图2所示，通过调整优化工艺参数，可获得平均晶粒尺寸227.0 nm的超细晶GNPs增强铝基复合材料。相较传统铝基复合材料中强化相通常聚集于晶界附近的现象，形变驱动冶金过程带来的大塑性形变显著地促进了GNPs的减薄、破碎与再分布。这些GNPs主要分布于晶粒内部而非晶界处，从而抑制了强化相偏聚于晶界等高缺陷能区域带来的腐蚀促进效应，同时也在一定程度上降低了偏聚带来的复合材料脆性问题（ Compos. Commun ., 2021, 26 , 100776; Compos. Part B Eng ., 2019, 177 , 107413）。此外，亦有少量GNPs分布于晶界处，这带来了明显的Smith-Zener晶界钉扎现象，抑制了GNPs增强铝基复合材料动态再结晶晶粒的长大，提高了其Hall-Petch细晶强化效果与组织均匀性。
在优化的800~1200 rpm旋转速度下，形变驱动冶金制备的GNPs增强铝基复合材料其自腐蚀速率明显下降（图3），甚至大幅度低于市购1060纯铝，而传统碳质纳米材料的腐蚀速率往往高出纯铝一到两个数量级，这说明通过大塑性形变驱动实现的均匀分布的GNPs可以有效抑制电偶腐蚀效应，提高了材料的宏观耐蚀性。
为了解释均匀分散的GNPs带来的耐腐蚀性提升机制，针对形变驱动冶金制备的GNPs增强铝基复合材料进行了GB/T 7998-2005晶间腐蚀试验，图4与图5为聚焦离子束切割的表层深度方向透射电镜样品元素分布。可以看到GNPs聚集于材料表面，且无GNPs的区域也观测到了大量的碳元素分布，这证明了GNPs存在向表层氧化保护层的元素扩散行为。通过DFT计算可以得知，这些掺碳氧化膜相较传统氧化保护层存在显著的耐腐蚀性提高。通过这些掺碳氧化膜与GNPs共同构成的均匀致密钝化层有效地提高了材料的耐腐蚀性。此外，该钝化层呈现出了随着时间增强的特性，最终表现为均匀分散的GNPs增强铝基复合材料的长效耐腐蚀机制。
相关论文发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上，哈尔滨工业大学博士研究生 谢聿铭和 孟祥晨讲师为文章的共同第一作者， 黄永宪教授为通讯作者。该工作得到黑龙江省博士后基金项目（LBH-Z20055）、国家自然科学基金青年科学项目（52001099）、黑龙江省自然科学基金杰出青年项目（JJ2020JQ0085）资助。