单层富勒烯/铜复合材料中的位错阻挡增强机制

《Materials Science and Engineering: A》：Dislocation-blocking enhancement mechanism in monolayer fullerene/copper composites

本研究通过分子动力学纳米压痕模拟，系统比较了表面涂层和嵌入结构的单层富勒烯M-C60与石墨烯在铜基复合材料中的强化机制。结果表明，M-C60涂层通过sp2-sp3杂化结构诱导位错增殖和碳链形成，硬度提升24.2%，优于石墨烯的sp2机制；嵌入结构中M-C60有效阻碍位错，减少Hirth/Stair-rod位错54.1%，同时保持高温下的优异性能，解决了传统材料强度与延展性矛盾，为金属基复合材料设计提供新框架。

　　

青鹏|张玉强|陈根|黄泽宇|蔡新天|曾文瀚|钟文斌|胡中伟|陈晓佳|姜向谦

武汉大学力学与机械工程系，中国武汉430072

摘要

新兴的单层富勒烯（M-C₆₀）具有卓越的多功能特性，但其通过位错阻挡来增强铜的作用仍不明确。通过分子动力学纳米压痕模拟，我们比较了单晶Cu、石墨烯/Cu以及M-C₆₀/Cu在表面涂层和嵌入配置下的性能。主要研究发现表明，M-C₆₀由于其sp²-sp³杂化结构，使硬度提高了24.2%，这导致了阶梯状位错和Hirth位错的增殖以及碳链的形成，其效果优于石墨烯的sp²基机制。嵌入的M-C₆₀能够吸收和反射移动位错，分别减少了Hirth位错和阶梯状位错24.1%和16.7%，从而提高了延展性。与石墨烯相比，M-C₆₀的界面结合位点密度高出26.3%，并且具有更好的应力缓冲能力，使得强度-延展性的调节更加灵活。应变率研究表明，M-C₆₀/Cu通过抵抗脆性断裂和维持位错环的形成来保持硬度，而石墨烯涂层则会发生灾难性失效。高温测试显示，由于强Cu-C键合和粗糙的表面形态，M-C₆₀涂层能够独特地维持或增加位错密度，而石墨烯/Cu则因位错湮灭和孪晶减少而软化。此外，M-C₆₀的硬度增强和位错阻挡机制是材料本身的特性，与压头特性无关。这项工作为金属基复合材料建立了一个位错阻挡设计框架，通过合理的二维/金属界面工程解决了长期存在的强度-延展性trade-off问题。

引言

二维（2D）纳米材料，包括石墨烯、二硫化钼、二硒化钨和六方氮化硼，因其独特的结构而表现出出色的机械[1]、电[3]、热[5]性能，使其非常适合应用于航空航天、半导体和电子工业[7]。最近，一种新型全碳二维材料——单层准六角相富勒烯（M-C₆₀）被合成[8]。M-C₆₀具有由C₆₀簇笼通过共价键形成的平面拓扑结构[9]，[10]。这种sp²-sp³杂化结构[11]赋予了M-C₆₀独特的机械柔韧性、高电子迁移率和较大的表面积，使其适用于多种电子、储能、催化和生物医学应用。M-C₆₀在电子领域表现出高电子迁移率，适用于晶体管和传感器[12]，其半导体特性在制造集成电路方面也有优势[13]。从化学角度来看，M-C₆₀的高表面积与体积比有利于储能和催化应用[14]。其独特的结构还允许添加功能基团，从而针对特定应用调整性能。从机械角度来看，这种二维材料的柔韧性使其具有类似石墨烯的延展性，能够承受较大的变形而不会断裂[15]。这一特性使其适用于航空航天和汽车工业中轻量复合材料的制造。

将二维碳基材料与基底结合以开发纳米复合材料在基于石墨烯的复合材料中显示出显著的效果。例如，碳基材料（石墨烯片、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管）已被用作环氧树脂纳米复合材料的增强剂，其中石墨烯片的性能优于碳纳米管[16]。石墨烯还通过增加接触面积和界面固体相互作用提高了聚合物复合材料的导热性[17]。分子动力学（MD）模拟揭示了石墨烯在增强聚合物复合材料机械性能中的作用[18]。然而，金属具有优异的比强度、更高的工作温度和更好的耐腐蚀性，正成为聚合物的可行替代品。因此，金属基复合材料（MMCs）越来越成为学术研究的焦点[19]、[20]、[21]。2013年，成功合成了石墨烯-金属纳米片复合材料，证明了石墨烯在MMCs中的机械增强效果[22]。尽管石墨烯在增强强度方面取得了成功，但其有限的界面结合位点往往导致在循环载荷下因位错容纳不足而提前失效[23]。这一关键限制需要探索具有增强界面活性的二维增强材料，以实现强度-延展性的同时优化。铜是大规模集成电路中微电路互连的主要材料[24]、[25]、[26]。由于铜的强度不足，人们正在考虑使用M-C₆₀来增强铜[27]、[28]，但研究表明周期性石墨烯增强的效果可能被高估了[29]。作为石墨烯的一种同素异形体，单层富勒烯的固有特性已被广泛研究，如各向异性的光学性质[30]、[31]、机械性质[32]、热电性能[34]、催化活性[14]和热稳定性[35]。尽管M-C₆₀具有许多有前途的特性，但其杂化键合结构如何控制Cu基体中的位错形成和传播仍不清楚——这是设计耐损伤复合材料的关键知识空白。因此，研究M-C₆₀/金属复合材料的机械行为对于了解其潜在应用非常有益。分子动力学是研究材料机械性能的有效方法[36]，因为它允许直接观察和分析原子和分子层面的材料结构和运动。它有助于理解材料在机械作用下的微观机制，如位错运动和相变，并为材料的实际应用提供理论指导[37]、[38]。此外，包括Cu/石墨烯和Cu/CNT在内的Cu-C系统已通过分子动力学模拟进行了系统研究[39]、[40]、[41]、[42]。

本研究通过分子动力学模拟系统地研究了M-C₆₀/Cu复合材料（包括涂层和嵌入结构）在纳米压痕下的机械性能，并将其与Cu和石墨烯/Cu复合材料进行了比较。通过分析不同复合材料之间的力、位错、应力分布以及不同条件（应变率、温度和压头几何形状）的差异，我们可以更好地理解M-C₆₀的增强机制。这项研究旨在为航空航天、电子和其他高应力应用设计高性能复合材料提供见解。

分子动力学模型

分子动力学模拟使用LAMMPS（一种大规模原子/分子并行模拟器）[43]进行，MD模型如图1所示。M-C₆₀的初始晶体单元显示在图1(a)的红色矩形区域内，晶格常数分别为a=0.92 nm、b=1.60 nm和c=1.22 nm [8]。C₆₀结构形成规则的六边形图案。平行于x轴的六边形边称为“扶手椅型”，平行于y轴的边称为“之字形”。

载荷-深度关系

图4(a)展示了Cu、M-C₆₀/Cu复合材料和Gr/Cu复合材料在完整加载和卸载循环过程中的载荷-深度（P-h）曲线。这些曲线揭示了M-C₆₀（Gr）及其位置对合成复合材料不同机械响应的影响。在纳米压痕过程中，载荷-深度曲线的波动归因于材料的塑性重排和应变硬化[67]。此外，P-h曲线与计算结果进行了比较

结论

通过分子动力学模拟，建立了二维/金属复合模型，阐明了单层富勒烯（M-C₆₀）和石墨烯在铜基复合材料中的增强机制。系统纳米压痕模拟得出了五个重要发现：

(1)

M-C₆₀/Cu复合材料在各种配置和条件下表现出优异的机械性能。表面涂层通过位错增殖和碳链形成使硬度提高了多达24.2%

CRediT作者贡献声明

张玉强：撰写——初稿，数据整理，概念化，形式分析，审稿与编辑。陈根：软件，方法论。黄泽宇：软件，方法论。蔡新天：撰写——审稿与编辑。曾文瀚：撰写——审稿与编辑。钟文斌：撰写——审稿与编辑。胡中伟：指导，资金获取。陈晓佳：撰写——审稿与编辑。姜向谦：指导，项目管理。青鹏：撰写——审稿与编辑，

利益冲突声明

没有需要声明的利益冲突。

数据可用性

本研究生成和/或分析的数据集可根据合理请求向相应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号12272378、T2527901、52175404）、中国科学院的战略优先研究计划（项目编号XDB0620103）、深圳市科技计划（项目编号KQTD20200820113045081）、湖北工业大学的博士科研启动基金（项目编号XJ2024008301）、湖北省教育委员会（项目编号Q20233005）以及英国EPSRC的资助。