近日，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室在在铝-碳直接焊合界面原子结构的研究方面取得新进展。相关成果以“Atomically Resolved Structure of the Directly Bonded Aluminum-Carbon Interface in Aluminum-Graphite Composites by Solid-State Friction Stir Processing: Implications for a High Performance Aluminum Conductor”为题发表在ACS Applied Nano Materials期刊。

原子结构迥异的材料之间难以形成高性能的直接焊合界面，几乎成为科学共识。要提升异质界面的性能，需要引入界面化合物等中间相。然而，近期研究工作表明，在纳米碳增强铝基复合材料中观察到，无化合物直接焊合铝-碳界面具有同步提升材料力-电性能的优越特性。然而，由于目前缺乏对直接焊合铝-碳异质界面结构的解析，限制了对材料性能增强机制的深入理解。

基于此，该工作首次从原子尺度上研究了原位搅拌摩擦加工法制备的铝碳复合材料中铝-碳直接焊合界面的结构。通过HRTEM方法对复合材料中的“端界面”与“侧界面”两种典型界面进行了详细的原子结构表征。界面间距分析表明，两种界面是通过化学键结合的，而不是范德华力，铝-碳原子间距为0.25nm。“端界面”原子结构表现出界面处的铝-碳原子为半共格结合，每5层铝原子面与3层碳原子面结合。基于观察到的原子平面匹配关系，提出了“侧界面”的原子尺度界面匹配模式。本文工作为高性能铝导体的开发提供了铝-碳界面原子尺度结构方面的新见解。

清华大学机械系2017级博士生刘奕君为论文第一作者，机械系史清宇教授、陈高强助理研究员为论文的共同通讯作者，瞿体明副教授、周梦然助理研究员为共同作者，该工作得到国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c00393

图1 铝-碳直接焊合界面中的“端界面”的原子结构

图2 铝-碳直接焊合界面中的“侧界面”的原子结构以及结构示意图