石墨烯及其Al-Mg-Si基复合材料的制备及组织性能研究

摘要

石墨烯因其独特的二维结构被赋予了优异的物理性能和化学性能，被广泛应用于纳米电子学、传感器、复合材料、电池、超级电容器和储氢材料等领域。目前，石墨烯难以实现高质量、规模化的生产已经严重抑制了其广阔的应用前景。本文使用直流电弧法制备石墨烯，通过改变等离子体压力和气氛，探究电弧放电过程对石墨烯生长的影响，以此来优化直流电弧法制备石墨烯的工艺参数。等离子体不同的压力是以氩气为缓冲气体制造的，等离子体气氛是分别用氢气和氮气以相同的比例（3:97）混合氩气形成的。以石墨烯为增强体，Al-Mg-Si合金为基体，采用FADB法制备石墨烯/Al-Mg-Si复合材料，探究石墨烯添加量对复合材料组织及性能的影响。 不同的压力和气氛环境下，石墨烯具有相同的表面形貌，片状的表面结构布满波浪状的褶皱，由二维结构向三维方向转变。石墨烯片层之间相互叠加，呈现出多层结构。负压环境下比正压制得的石墨烯缺陷更少，但是负压下石墨烯的层数波动比正压大。当压力为-0.03MPa时，石墨烯的ID/IG、IG/I2D的值分别是0.68和1.74，厚度在0.34nm~2nm左右，层数在单层至五层范围内波动。当压力为0.06 MPa时，石墨烯的ID/IG、IG/I2D的值分别是1.05和1.77，厚度集中在2nm左右，主要为5层结构。 等离子体气氛中存在氢气时制备出的石墨烯质量高于其它气氛，ID/IG、IG/I2D的值分别是0.54和1.53，层数主要为双层，表明氢气气氛有利于石墨烯的生长。当等离子体气氛存在氮气时，发现大量无定形碳的生成，表明氮气的存在抑制石墨烯的生长。 石墨烯/Al-Mg-Si复合材料的物相主要由Al、Si、Mg2Si相和石墨烯组成，没有生成有害相Al4C3。石墨烯可以细化基体晶粒，促使Si晶粒均匀分布。石墨烯与基体界面结合良好，主要沿晶界和表面粘附和基体结合，并且石墨烯分散均匀，无严重团聚现象出现。 复合材料的硬度和强度随着石墨烯含量的增加先升高后减小，当石墨烯添加量为1.5%时，复合材料的硬度达到最高值121.7HV，比基体提高了49%。石墨烯添加量为1.0%时，抗拉强度高达293MPa，强度约是基体的2倍。复合材料断裂时没有明显的“颈缩”现象，裂纹源主要是石墨烯的断裂和脱附形成的撕裂脊和凹坑。石墨烯在复合材料中的主要强化作用有：晶粒细化、位错强化、载荷传递和Orowan强化。

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