石墨烯纳米片增强AZ91D镁基复合材料的制备及组织性能研究

摘要

石墨烯，作为一种新型的碳材料，由于其独特的二维结构和优良的性能，在各个领域都有着巨大的应用潜力。将石墨烯作为增强体添加到镁合金中，既可以提升镁合金的力学性能，还有望改善其热学性能和电学性能。目前，石墨烯增强镁基复合材料的制备技术因工艺复杂、成本高且难以实现大批量生产的原因使其应用受到了严重的限制。由此可见，开发石墨烯增强镁基复合材料的低成本、高产量的制备技术十分必要。本文使用V型混粉的方式将石墨烯纳米片（Graphene nanoplates,GNPs）和AZ91D镁合金颗粒进行了混合，然后采用触变注射成形法制备了不同含量的GNPs(0.3%，0.6%，0.9%，质量分数)增强AZ91D镁基复合材料，研究了不同含量的GNPs对复合材料的显微组织与力学性能的影响，得到了GNPs的最佳添加量，随后，选用GNPs的最佳添加量，又使用电磁搅拌法制备了GNPs增强AZ91D镁基复合材料，研究了复合材料的组织和性能，为石墨烯增强镁基复合材料的制备与应用提供了参考。通过扫描电镜表征了GNPs与AZ91D镁合金混合颗粒的微观组织；运用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析、透射电镜、X射线衍射多种检测手段对复合材料的组织进行了表征；以密度测试、硬度测试、拉伸实验等多种试验测试了复合材料的力学性能。主要结果如下： V型混粉后，片状的GNPs牢固的粘附在AZ91D镁合金颗粒的表面，混合效果良好。V型搅拌和GNPs的添加并未对AZ91D镁合金颗粒的尺寸产生影响。 触变注射成形法制备的GNPs增强AZ91D镁基复合材料的显微组织由α-Mg相和共晶组织（α-Mg+β-Mg17Al12）组成。GNPs均匀的分散于基体中，与基体紧密结合，且以黑色片条状的形态存在于基体中，保持了GNPs的结构完整性。随着GNPs含量的增加，复合材料的平均晶粒尺寸逐渐降低，密度增加、孔隙率降低，硬度和拉伸性能先升高后降低。当GNPs的添加量为0.6%时，复合材料的力学性能最好，其硬度、抗拉强度、延伸率分别为92.3HV、245MPa和3.9%，相对于基体分别提高了36%、40%和86%。 电磁搅拌法制备的GNPs增强AZ91D镁基复合材料的显微组织由α-Mg相和共晶组织（α-Mg+β-Mg17Al12）组成。GNPs成功的均匀分散于基体中。复合材料的平均晶粒尺寸比基体合金降低了84%，随着GNPs的加入，复合材料的密度、硬度、抗拉强度和延伸率都会得到提高。该复合材料的硬度、抗拉强度和延伸率分别为77.0HV、162MPa和3.9%，相对于基体分别提高了18%、19%和86%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 镁基复合材料

1.2 石墨烯的研究概述

1.2.1 石墨烯的制备

1.2.2 石墨烯的性质和应用

1.2.3石墨烯增强镁基复合材料的研究现状

1.2.4存在的问题及发展趋势

1.3触变注射成形技术

1.4论文的研究意义和研究内容

第2章 实验材料和方法

2.1 实验材料

2.1.1 基体材料

2.1.2 增强体材料

2.2 实验过程

2.2.1 GNPs添加量的选择

2.2.2 混粉

2.2.3 触变注射成形工艺

2.2.3 电磁搅拌工艺

2.3 实验设备

2.3.1 混粉设备

2.3.2 触变注射成形设备

2.2.3 电磁搅拌设备

2.4 合金的组织观察与性能分析

2.4.1 金相显微组织分析

2.4.2 X射线衍射分析

2.4.3 扫描电子显微镜分析

2.4.4 透射电子显微镜分析

2.4.5 拉曼分析

2.4.5 密度测试

2.4.6 硬度测试

2.4.7 拉伸力学性能测试

2.5 本章小结

第3章 混合颗粒的微观组织

3.1 引言

3.2 GNPs的微观组织

3.3 GNPs与AZ91D镁合金颗粒混合颗粒的微观组织

3.4 本章小结

第4章 触变注射成形法制备GNPs/AZ91D复合材料

4.1 引言

4.2 触变注射成形法制备GNPs/AZ91D复合材料的微观组织分析

4.2.1 GNPs/AZ91D复合材料的金相分析

4.2.2 GNPs/AZ91D复合材料的扫描电镜与能谱分析

4.2.3 GNPs/AZ91D复合材料的相组成分析

4.2.4 GNPs/AZ91D复合材料的透射电镜分析

4.3 触变注射成形法制备GNPs/AZ91D复合材料的性能分析

4.3.1 致密度

4.3.2硬度

4.3.3拉伸性能

4.3.4 GNPs增强镁基复合材料的理论屈服强度计算

4.4 本章小结

第5章 电磁搅拌法制备GNPs/AZ91D复合材料

5.1 引言

5.2 电磁搅拌法制备GNPs/AZ91D复合材料的微观组织分析

5.2.1 GNPs/AZ91D复合材料的金相分析

5.2.2 GNPs/AZ91D复合材料的扫描电镜与能谱分析

5.2.3 GNPs/AZ91D复合材料的相组成分析

5.3 触变注射成形法制备GNPs/AZ91D复合材料的性能分析

5.3.1 致密度

5.3.2 硬度和拉伸性能

5.3.3 拉伸断口分析

5.4 分析与讨论

5.5 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢