近期，材料科学与工程学院2022级本科生任嘉贺、邱春林、李天朔在Journal of Alloys and Compounds（中科院二区SCI期刊，JCR 1）发表了题为“Simultaneous enhancement of strength and ductility in Ti matrix composites via graphene nanoplatelets-induced heterostructure”的论文，论文通讯作者为材料学院马新凯副教授。该文是2024年国家级大学生创新创业训练计划项目（以下简称“国创项目”，项目编号202410613062）《异构钛基复合材料力学性能和耐腐蚀性能的调控机理研究》的研究成果，该国创项目结题答辩评为优秀。

图1 论文标题及链接（https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.182993）

近年来，钛基复合材料（TMCs）因其优异的比强度和耐腐蚀性在航空航天等领域具有广泛应用前景，但传统TMCs普遍面临强度与塑性难以兼顾的挑战。尽管通过添加陶瓷颗粒或碳纳米管等增强相可提升强度，但高体积分数下往往导致材料塑性显著下降。石墨烯纳米片（GNPs）作为一种新型纳米增强体，因其超高模量和独特二维结构被视为改善金属基复合材料性能的潜在候选者。然而，单一结构的GNPs增强复合材料仍难以实现强度与塑性的协同提升。为此，本研究提出了一种异质结构（HS）设计策略，旨在通过GNPs诱导的异质结构实现TMCs强度与塑性的同步优化。

本研究采用热机械加工结合热轧和再结晶退火的方法，在TA1（钛）基体中构建了一种新型双峰结构复合材料。首先通过球磨和放电等离子烧结（SPS）制备初始GNPs/TA1复合材料，随后通过热轧和650°C退火处理调控微观结构，形成由硬质细晶区（FG）和软质粗晶区（CG）交替组成的异质结构。GNPs在细晶区呈连续网络分布，而在粗晶区为不连续片状形态。通过准静态拉伸试验、循环加载-卸载实验以及显微硬度测试评估材料的力学性能，并结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等多尺度表征手段分析微观结构演变及其与性能的关联。

研究结果表明，异质结构GNPs/TA1复合材料表现出卓越的强度-塑性协同效应，其屈服强度较传统均质TMCs提升80%，同时保持了良好的塑性（断裂延伸率18-21%）。微观分析揭示，硬质细晶区与软质粗晶区界面处的异质变形诱导（HDI）强化是主要强化机制，有效协调了应变不兼容性。此外，GNPs的独特分布不仅调控了双峰结构的形成，还通过界面钉扎效应进一步提升了材料性能。这种异质结构设计为开发高性能TMCs提供了新思路，在航空航天等高端结构材料领域具有重要应用潜力。

图2 论文组图：（a）EBSD图像（b）异构强度-延展性性能（c）SEM图像（d）XRD图像（e）LUR应力-应变曲线