層狀金屬基材料通過藉助各組元層的複合效應、增強相的尺寸效應和界面效應，可實現材料的高性能化及功能化。其中Cu/Ni層狀金屬複合材料已廣泛應用於燃料電池系統、換熱系統、微型電池負極材料容器系統。但是傳統Cu/Ni層狀複合材料在熱軋複合成型過程中，由於高溫狀態下Cu和Ni原子在界面處的擴散速率差別，會導致柯肯達爾孔洞發生。這一直限制著置換互溶體系的層狀金屬複合材料的研發和應用。
自1947年，柯肯達爾效應被發現以來一直處於不慍不火狀態，2011年，殷亞東教授用做製備納米空心材料之後才煥發新春，然而，在冶金領域，它極大的影響層狀金屬複合材料的界面結合性能，因此工程師致力於消除它。
近日，河北工業大學材料科學與工程學院能源裝備材料技術研究院殷福星教授團隊在《Materials Science & Engineering A》上發布了一篇關於石墨烯薄膜調控Cu/Ni多層複合材料界面及力學性能的文章，題為「Thickness effect of graphene film on optimizing the interface and mechanical properties of Cu/Ni multilayer composites」。創造性的藉助於石墨烯薄膜來消除柯肯達爾效應，從而顯著的提升了熱軋Cu/Ni層狀複合材料的界面結合強度，同時，複合材料的強度和韌性也獲得了明顯的提升。
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https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140111
由於複合材料強化的主要原因為增強體的有效承載以及打斷基體的塑性變形過程，增強體的含量，形貌以及分布對複合材料性能有著重要影響。此外，石墨烯的力學性能具有高度各向異性的特點，均勻分布的結構不能充分發揮材料複合構型化的優勢。因此，文中採用電沉積方法+溶液處理的方法將石墨烯引到層界面，通過調控電沉積參數，調控石墨烯薄膜厚度，進而探討複合材料界面設計的重要性。研究發現適當厚度的石墨烯薄膜可以有效抑制了銅、鎳元素不對稱的擴散行為，減少了柯肯達爾孔洞的形成，強化了銅/鎳界面的結合強度，有效抑制了鎳層的過早局部縮頸和斷裂破壞，從而使材料具有良好均勻的塑性變形能力。
圖1 石墨烯增強Cu/Ni多層複合材料製備過程示意圖
圖2 複合材料力學性能
圖3 複合材料的微觀組織
圖4 複合材料的界面微觀結構
圖5 複合材料斷裂過程示意圖
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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