论文标题：Microstructure and Properties of CNTs/2A12 Aluminum Matrix Composites Fabricated via Additive Friction Stir Deposition

论文链接：https://doi.org/10.3390/ma19010112

期刊名：Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

作者介绍

通讯作者：周梦然

清华大学机械工程系助理研究员，主要从事先进结构材料在极端环境下的力学行为、航天关键部件高可靠性焊接与连接技术、以及材料失效机理与寿命预测研究。已在《Nature Communications》《Acta Materialia》和《Journal of Magnesium and Alloys》等国际权威期刊发表SCI论文10余篇，多篇聚焦异种金属焊接界面调控、接头可靠性，成果被广泛引用。特别是，开发了一种原位淬火搅拌摩擦加工（IQ-FSP）方法，在双相Mg-Li-Al合金中实现了超高比强韧、超耐腐蚀和抗时效软化的协同提升，解决了超轻合金领域长期存在的难题。

第一作者：雷志国

清华大学博士后，师从史清宇教授，专注于镁锂合金、铝合金及铝基复合材料的搅拌摩擦沉积增材制造技术研究。在站期间，他深入探索了高强度耐腐蚀先进结构材料的低密度化路径，通过原创性实验设计优化了材料微观组织与力学性能，显著提升了材料在极端环境下的稳定性，为航空航天轻量化应用提供了关键支撑。

文章导读

高强轻量化金属结构材料是航空航天、高端装备和新能源汽车等国家战略领域的核心需求。2A12铝合金因其优异的比强度和加工性能被广泛应用，但其强度和耐蚀性仍难以满足新一代装备对“更轻、更强、更可靠”的综合要求。碳纳米管（CNTs）作为理想增强体，可显著提升铝基复合材料的力学与功能性能，但传统制备方法易导致CNTs团聚、界面反应或高温烧损等问题，严重制约其工程应用。近年来，搅拌摩擦沉积（Additive Friction Stir Deposition, AFSD）作为一种新兴的固态增材制造技术，凭借无熔池、低热输入、高致密性等优势，为高性能金属基复合材料的近净成形提供了全新可能。然而，CNTs/2A12复合材料能否通过AFSD实现高质量成形，并同步优化其组织与多性能协同，尚属空白。近日，清华大学机械工程系史清宇教授机器团队在在搅拌摩擦增材制造领域取得重要突破——首次成功制备出尺寸为150mm（长）×29mm（宽）×22mm（高）的碳纳米管增强2A12沉积件！

研究过程与结果

本研究以商用挤压态CNTs/2A12复合材料棒材（含1.5 wt.% CNTs）为原料，采用自主研发的搅拌摩擦沉积设备，在优化工艺参数（转速800 rpm，打印速度30 mm/min）下成功制备出高度达22 mm的块体构件。整个沉积过程在固态下完成，峰值温度仅为468°C，远低于铝的熔点，有效避免了CNTs氧化分解及熔融增材常见的气孔、裂纹等缺陷。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察，沉积层表面呈现典型的“洋葱环”形貌，层间结合良好，无宏观孔洞或未焊合缺陷。

图1. 增材制造复合材料的结果： (a) 洋葱纹形貌, (b) 侧视图, (c) 洋葱纹的CLSM 图片, (d) 洋葱纹的表面高度差, (e) 横截面, (f) 测温曲线

EBSD分析表明，原始材料中沿挤压方向的粗大纤维组织被完全打破，转变为均匀细小的等轴晶，经历多次热循环冲击后平均晶粒尺寸由原始的～1.12 μm略微增加至～1.45 μm，仍能保持晶粒尺寸的热稳定性和显著抑制了各向异性。XRD与拉曼光谱证实，沉积后CNTs结构完整，未发生明显损伤或Al₄C₃界面反应，保障了载荷传递效率。

图2. 反极图，XRD和拉曼光谱：(a) BM, (b-c) 增材复材, (c) XRD, (d) 拉曼光谱

力学性能测试显示，增材样品在横向与沉积方向均表现出优异的强塑性匹配：抗拉强度达450–465 MPa，延伸率15–18%，全面优于原始挤压态材料（UTS≈450 MPa，El.≈10%）。断口SEM分析揭示，大量CNTs拔出与桥接行为有效阻碍裂纹扩展，是塑性提升的关键机制。尤为突出的是，材料的耐腐蚀性能实现跨越式提升。电化学测试表明，增材样品在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀电流密度仅为0.19 μA/cm²，不足原始材料（4.74 μA/cm²）的4%。这归因于AFSD过程中热-力耦合作用促使Al₂Cu等阴极相由原始的连续链状分布转变为弥散、细小、孤立的颗粒，极大削弱了微电偶腐蚀驱动力。

图3. BM和增材样品的力学性能和腐蚀性能：(a) 应力应变曲线, (b) 力学性能数据柱状图, (c) 极化曲线, (d) 腐蚀性能数据柱状图

研究总结

本工作首次成功将搅拌摩擦沉积技术应用于CNTs/2A12铝基复合材料的增材制造，突破了传统工艺在成形性、界面控制与性能协同方面的瓶颈。研究不仅获得了高强度（>450 MPa）、高延伸率（>15%）和超低腐蚀速率（<0.2 μA/cm²）的综合性能，更揭示了固态增材过程中晶粒细化、析出相重构与腐蚀行为之间的内在关联，为“结构-性能-服役”一体化设计提供了理论支撑，为复杂轻量化构件的高效、绿色制造提供了全新路径。

展望未来，团队将进一步探索热处理制度对析出相演化的影响，深入解析CNTs对动态再结晶与位错演化的抑制机制，并推动该技术向复杂曲面构件（如卫星支架、无人机机翼）的工程应用迈进。这项成果标志着我国在高性能轻量化金属构件绿色智能制造领域迈出了关键一步，有望为航空航天、深海装备等国家重大工程提供新材料解决方案。

原文信息：Lei Z., Zhou M.*, et al. Microstructure and Properties of CNTs/2A12 Aluminum Matrix Composite via Additive Friction Stir Deposition. Materials 2026, 19(1), 112.

资助项目：国家自然科学基金（U23A20541, 52305385）

Materials 期刊介绍

主编：Prof. Dr.Maryam Tabrizian, McGill University, Montreal, Canada; Prof Dr. Yuguang Ma, South China University of Technology, China

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

*JCR Q2 at “PHYSICS, APPLIED” and “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING” Categories

*Scopus Q1 at “Condensed Matter Physics” Category