铝(Al)泡沫材料作为经典多孔材料之一，由于其显著的阻尼和吸能性能，作为结构材料被广泛应用于汽车防撞梁和保险杠、坦克装甲、飞机起落架等领域。特别是亚共晶铝硅合金因其流动性好、收缩率和偏析率小而成为泡沫铝合金的原料。然而多数研究表明，粗大不规则的共晶Si析出相嵌在Al基体中，通常不利于泡沫材料的强度和韧性，导致铝硅泡沫材料的发展和实际应用受到限制。目前为止，基体合金化和添加纳米增强材料已被证明是提高Al-Si泡沫材料力学性能的有效解决方案。由于泡沫铝合金的脆性增加，合金化的增强效率受到限制。已有研究表明，具有高表面积的纳米碳材料是优化泡沫铝孔隙形态的理想材料，石墨烯纳米片(GNSs)由于高抗拉强度和高杨氏模量，成为金属基复合材料(MMCs)的一种新型增强材料，但是GNSs对Al-Si泡沫材料中Si析出相、孔隙形貌和力学性能的具体影响研究甚少。
天津大学、中国民航大学等单位的研究人员采用新型快速粉末冶金发泡法制备了GNSs/Al-Si复合泡沫材料，并在GNSs表面喷涂了铜纳米颗粒(简称GNSs@Cu/Al-Si)。对GNSs孔隙形貌和Si析出相的细化进行了鉴定。通过准静态压缩实验，研究了GNSs对复合泡沫材料压缩性能及吸能性能的影响。相关论文以题为“Simultaneously optimizing pore morphology and enhancing mechanical properties of Al-Si alloy composite foams by graphene nanosheets”发表在Journal of Materials Science & Technology。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.050
采用模板辅助和高温煅烧相结合的方法原位制备GNSs@Cu。然后将Al、7wt% Si、TiH2和不同含量的GNSs@Cu粉末混合到250ml不锈钢罐中。经150 r/min球磨4h，球磨过程在Ar环境下进行。随后在500 MPa的压力下单轴冷压成直径38mm、厚度10 mm的圆柱形发泡前驱体。前驱体在直径39mm的模具中预热到720℃，保持90-150s发泡，快速冷却至室温。成功制备了GNSs@Cu/Al-Si复合泡沫材料。
研究发现GNSs不仅可以提供高密度、均匀分布的孔隙形核质点，还在孔隙生长过程中保护液膜，增强孔隙稳定，孔隙尺寸、分布和形状得到显著细化。在杂质诱导孪晶(IIT)生长机制和限制孪晶凹角沟槽(TPRE)生长机制的共同作用下，GNSs明显抑制了Si析出相的生长，导致Si析出相由不规则长条状细化为椭圆状。
图1 GNSs@Cu/Al-Si复合泡沫材料的制备工艺示意图
图2 GNSs@Cu粉末的SEM和TEM图像。
图3 泡沫的X射线CT二维可视化图像:
图4 微孔的TEM图
图5 宏观变形过程的数码照片。(a-d)铝硅泡沫; (e-h) 0.4%GNSs@Cu/Al-Si复合泡沫
本文通过低能球磨结合新型快速粉末冶金发泡法，证实了石墨烯纳米片(GNSs)是制备铝硅(AlSi)泡沫的最佳纳米增强材料。对比研究验证了GNSs在同时优化Al-Si泡沫材料的孔隙形态、共晶Si析出相和力学性能方面的显著效果。除了对组织的细化效应外，GNSs的内在强化和增韧效应同时促进了复合泡沫材料力学性能的提高。其中，0.4 wt% GNSs@Cu/Al-Si复合泡沫材料的最大压缩应力为11.7±0.5MPa，平台应力为10.0±1.0 MPa，能量吸收能力为6.8±0.7 MJ/m3，分别比Al-Si泡沫材料高58.1%、53.8%和51.1%。本研究合成的新型GNSs@Cu/Al-Si复合泡沫材料具有优异的压缩性能和吸能性能。本研究结果有助于高速冲击吸能装置在汽车、航天器等实际应用中的发展。（文：破风）
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