石墨烯微片增强铝基复合材料组织与性能的研究

摘要

石墨烯具有远远高于传统材料的力学性能和物理性能且二者完美统一，是一种理想的复合材料增强体，已得到国内外的广泛关注但存在石墨烯不易分散和界面反应严重的问题。为解决这些问题，本文通过理论计算和高能球磨分散工艺的选择设计了复合材料制备工艺路径，然后采用热压烧结法和压力浸渗法分别制备了GNPs/Al-10Si和GNPs/Al-20Si两种不同基体的复合材料，随后对GNPs/Al-10Si复合材料以高温柔性约束和热挤压两种方式进行了致密化处理，对 GNPs/Al-20Si复合材料进行了热挤压。通过扫描电子显微镜和Raman光谱表征了高能球磨的复合粉体的分散质量；采用金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜观察了复合材料微观组织结构；以三点弯曲试验、拉伸试验、热膨胀测试和热导率测试等试验测试了复合材料的力学和物理性能。
　　证明了添加 Si元素阻碍有害界面反应产物的Al4C3的生成，进一步使界面反应产物转变为SiC，通过热力学方程计算了不同温度下所需的临界硅含量，表明其随温度的升高而升高，所以设计采用低温的热压烧结法制备GNPs/Al-10Si和压力浸渗法制备GNPs/Al-20Si两种不同基体的复合材料。用简单包覆模型对复合材料中石墨烯不团聚的最大含量进行了计算。研究了球磨工艺对复合粉体的分散效果，转速为300rpm时6h能满足分散要求，又不会破坏石墨烯的结构完整性。
　　热压烧结法制备的GNPs/Al-10Si复合材料基体Si得到了球化和细化，界面反应产物有Al4C3和SiC两种，组织不致密，强度和塑性均低于基体；经高温柔性约束变形和热挤压均能是复合材料致密化，热挤压效果更好。柔性约束变形后复合材料强度比基体高约50％，塑性下降很多；热挤压后复合材料强度与基体相比提高约1倍，塑性下降不明显。在拉应力作用下与其垂直的石墨烯发生片层剥离，与其平行的石墨烯拔出，表明界面结合不是十分良好。
　　压力浸渗法制备的复合材料都很致密，随石墨烯含量增加略有降低。石墨烯同样起到对Si球化和细化的作用，界面反应产物。借鉴短纤维强化模型建立的石墨烯屈服强度强化模型，计算结果表明石墨烯强化效率很高，同时引入修正系数k的概念表征石墨烯分布的方向性和卷曲程度。根据模型的出石墨烯的强化效率取决于基体的屈服强度、石墨烯片径与厚度的比值、k值大小且与这三者均是单调递增的关系。根据石墨烯强化模型的计算，热挤压后强化效率的提高源于基体屈服强度提高和石墨烯排布定向性改变两方面。
　　GNPs/Al-20Si复合材料强度随石墨烯含量的变化存在峰值在1.2wt%，与石墨烯临界含量计算结果相一致，最大抗拉强度为214MPa，比基体高130%，挤压后最大抗拉强度为309MPa，比基体提高216%，显示出石墨烯的超高强化效率；弹性模量的变化基本符合混合定律，在石墨烯含量仅为2.4wt%时复合材料弹性模量提高34%至105GPa；石墨烯含量为0.6wt%时复合材料延伸率高于单纯基体，说明了石墨烯对Si的球化和细化作用能适当增加复合材料塑性；热导率随石墨烯含量变化的峰值为1.8wt%，表明一定程度的团聚对复合材料热导率有所贡献；热挤压后复合材料热导率最大为192W/（m·K），比基体高58%。

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第1章 绪论

1.1课题背景

1.2非连续相增强金属基复合材料研究现状

1.3石墨烯研究现状

1.4 石墨烯增强复合材料研究现状

1.5 石墨烯增强铝基复合材料研究现状

1.6 主要研究目的和研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

第3章 复合材料成分设计

3.1 引言

3.2 基于Al4C3向SiC转变的基体合金成分

3.3 石墨烯临界含量的计算

3.4 材料制备路径的设计

3.5石墨烯分散行为的研究

3.6 本章小结

第4章 热压烧结法制备GNPs/Al-10Si复合材料组织与性能的研究

4.1 引言

4.2 热压烧烧结法制备GNPs/Al-10Si复合材料及致密化

4.3 GNPs/Al-10Si复合材料微观组织

4.4 热压烧结方法制备GNPs/Al-10Si复合材料力学性能

4.5 本章小结

第5章 压力浸渗法制备GNPs/Al-20Si复合材料组织与性能的研究

5.1 引言

5.2 压力浸渗法制备GNPs/Al-20Si复合材料微观组织

5.3 GNPs/Al-20Si复合材料性能

5.4 强化机制分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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