石墨烯与ZK61粉末混合工艺的研究

摘要

为克服石墨烯自身团聚、在镁基合金中难以均匀分散、以及复合材料制备困难的问题，本文结合超声处理、粉末冶金以及触变成形技术的优点提出集制备与成形石墨烯增强镁基复合材料于一体的新技术——超声分散粉末触变成形。为此，首先研究了石墨烯纳米片（GNPs）的超声处理工艺，随后探讨了ZK61粉末的酸洗工艺以及ZK61粉末分别与GNPs和氧化石墨烯（Go）的混合工艺。最后采用超声分散粉末触变成形技术制备了GNPs/ZK61Mg基复合材料和Go/ZK61Mg基复合材料。研究结果表明： 在乙醇溶剂中，超声处理对GNPs的分散效果显著，分散过程可分为三个阶段：首先是团聚体的分散，然后是GNPs破碎并伴有剥离，最后GNPs因破碎尺寸减小并趋于均匀。GNPs优先从自身缺陷处破碎，从而使GNPs结构的有序性提高，接着便产生空位缺陷，GNPs的结构完整性遭到破坏。超声时间的延长能提升GNPs的分散效果，过长则产生空位缺陷；增大超声功率会显著提高GNPs的分散效率，但同时破碎情况也越严重并产生大量空位缺陷；溶剂温度越低，GNPs分散越均匀；低粘度、高表面张力能提高空化强度，从而提升分散效果；变幅杆插入液面较小距离，用小直径容器并超声处理低浓度的GNPs分散效果会更好。实验得出最佳工艺参数为：在悬浮液浓度1.5mg/ml以下温度为25℃的乙醇溶剂中，变幅杆插入液面15mm，容器内直径65mm，超声功率960W，超声处理4h能得到分散均匀且结构破坏程度较低的GNPs。各种工艺参数的变化对GNPs的结构影响明显。在含10vol.%蒸馏水的乙醇溶剂中以840W功率超声处理40min制得分散均匀的Go悬浮液。 为了使GNPs与ZK61粉末均匀混合，先对ZK61粉末进行酸洗处理以去除氧化物。尝试了胶接工艺制备GNPs+ZK61混合粉末，研究了胶接剂种类、胶接剂添加量和GNPs添加量对GNPs+ZK61胶接效果的影响。结果表明，在乙醇液中用0.3wt.%十六烷基三甲基溴化铵作为胶接剂胶接0.2wt.%GNPs与ZK61粉末，每颗粉末均匀粘有GNPs，且GNPs不团聚。随后又尝试了静电吸引工艺制备Go+ZK61混合粉末，先研究了超声搅拌时间、机械搅拌转速以及强弱酸对酸洗ZK61粉末均匀性的影响。随后研究了冰乙酸浓度、Go添加量、蒸馏水添加量和液体过滤方式对Go+ZK61静电吸引效果的影响。结果表明，使用含1vol.%冰乙酸的乙醇溶液酸洗ZK61粉末，同时辅以4min的超声搅拌，搅拌转速160r/min，可获得去除氧化物且粉末表面含有镁离子的ZK61粉末，与0.1wt.%Go悬浮液混合后静置沉淀加真空干燥获得Go均匀吸附在ZK61粉末表面的混合粉末。 采用上述最佳工艺参数制得GNPs+ZK61混合粉末和Go+ZK61混合粉末，与ZK61粉末分别在300℃温度，282MPa压力下压成块，在630℃温度加热60min获得半固态锭料，后移入温度为300℃的模具中，以330MPa压力进行触变模锻。结果显示：ZK61基体的抗拉强度（UTS）、延伸率和维氏硬度分别为164.33MPa，5.62%和60.08HV。0.2wt.%GNPs/ZK61Mg基复合材料的UTS、延伸率和维氏硬度分别为211.6MPa，5.5%和59.0HV。0.5wt.%GNPs/ZK61Mg基复合材料的UTS、延伸率和维氏硬度分别为176.61MPa，5.63%和61.27HV。0.1wt.%Go/ZK61Mg基复合材料的UTS、延伸率和维氏硬度分别为234.9MPa，6.0%和64.0HV。0.5wt.%Go/ZK61Mg基复合材料的UTS、延伸率和维氏硬度分别为97.64MPa，3.68%和55.98HV。即添加适量增强体的复合材料UTS较基体合金提高明显，同时延伸率没有降低，硬度基本保持不变。而过量的Go或GNPs（0.5wt.%）不利于复合材料力学性能的增强。

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插图索引

第1章 绪 论

1.1 镁合金

1.2 镁基复合材料

1.3 石墨烯

1.4 石墨烯增强金属基复合材料的制备方法

1.4.1 复合铸造法

1.4.2 电沉积法

1.4.3 粉末冶金法

1.5 石墨烯增强镁基复合材料制备工艺的研究现状

1.6 超声分散粉末触变成形技术的提出及意义

1.7 本文研究的意义与内容

第2章 GNPs、Go超声处理的研究

2.1 实验材料与方法

2.1.1 实验材料

2.1.2 GNPs、Go的超声处理实验

2.1.3 检测过程

2.2 超声处理工艺参数对GNPs分散效果与结构的影响

2.2.1 超声时间的影响

2.2.2 超声功率的影响

2.2.3 溶剂温度的影响

2.2.4 溶剂物理性质的影响

2.2.5 其他参数对GNPs分散效果的影响

2.3 超声处理对Go分散效果的影响

2.4 本章小结

第3章 GNPs、Go与ZK61粉末混合工艺的研究

3.1 实验材料与方法

3.1.1 实验材料

3.1.2 胶接工艺制备混合粉末实验

3.1.3 静电吸引工艺制备混合粉末实验

3.1.4 检测过程

3.2 胶接工艺制备GNPs+ZK61混合粉末

3.2.1 酸洗处理对ZK61粉末氧化物的去除效果

3.2.2 胶接工艺参数对GNPs+ZK61混合粉末胶接效果的影响

3.3 静电吸引工艺制备Go+ZK61混合粉末

3.3.1 酸洗工艺参数对ZK61粉末反应均匀性的影响

3.3.2 静电吸引工艺参数对Go+ZK61混合粉末吸附效果的影响

3.4 本章小结

第4章 GNPs/ZK61 Mg基复合材料与Go/ZK61 Mg基复合材料的制备及力学性能的研究

4.1 实验方法

4.1.1 粉末压制块的制备

4.1.2 触变模锻制备复合材料

4.1.3 检测过程

4.2 GNPs/ZK61 Mg基复合材料微观组织与力学性能的研究

4.2.1 基体与复合材料的微观组织

4.2.2 基体与复合材料的力学性能

4.3 Go/ZK61 Mg基复合材料微观组织与力学性能的研究

4.3.1 Go/ZK61 Mg基复合材料的微观组织

4.3.2 Go/ZK61 Mg基复合材料的力学性能

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文