石墨烯微片增強鋁基復(fù)合材料組織與性能的研究.pdf

1、石墨烯具有遠遠高于傳統(tǒng)材料的力學(xué)性能和物理性能且二者完美統(tǒng)一，是一種理想的復(fù)合材料增強體，已得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注但存在石墨烯不易分散和界面反應(yīng)嚴重的問題。為解決這些問題，本文通過理論計算和高能球磨分散工藝的選擇設(shè)計了復(fù)合材料制備工藝路徑，然后采用熱壓燒結(jié)法和壓力浸滲法分別制備了GNPs/Al-10Si和GNPs/Al-20Si兩種不同基體的復(fù)合材料，隨后對GNPs/Al-10Si復(fù)合材料以高溫柔性約束和熱擠壓兩種方式進行了致密化處理，對

2、 GNPs/Al-20Si復(fù)合材料進行了熱擠壓。通過掃描電子顯微鏡和Raman光譜表征了高能球磨的復(fù)合粉體的分散質(zhì)量；采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡觀察了復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)；以三點彎曲試驗、拉伸試驗、熱膨脹測試和熱導(dǎo)率測試等試驗測試了復(fù)合材料的力學(xué)和物理性能。
　　證明了添加 Si元素阻礙有害界面反應(yīng)產(chǎn)物的Al4C3的生成，進一步使界面反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)镾iC，通過熱力學(xué)方程計算了不同溫度下所需的臨界硅含量，表明其隨

3、溫度的升高而升高，所以設(shè)計采用低溫的熱壓燒結(jié)法制備GNPs/Al-10Si和壓力浸滲法制備GNPs/Al-20Si兩種不同基體的復(fù)合材料。用簡單包覆模型對復(fù)合材料中石墨烯不團聚的最大含量進行了計算。研究了球磨工藝對復(fù)合粉體的分散效果，轉(zhuǎn)速為300rpm時6h能滿足分散要求，又不會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)完整性。
　　熱壓燒結(jié)法制備的GNPs/Al-10Si復(fù)合材料基體Si得到了球化和細化，界面反應(yīng)產(chǎn)物有Al4C3和SiC兩種，組織不致密，

4、強度和塑性均低于基體；經(jīng)高溫柔性約束變形和熱擠壓均能是復(fù)合材料致密化，熱擠壓效果更好。柔性約束變形后復(fù)合材料強度比基體高約50％，塑性下降很多；熱擠壓后復(fù)合材料強度與基體相比提高約1倍，塑性下降不明顯。在拉應(yīng)力作用下與其垂直的石墨烯發(fā)生片層剝離，與其平行的石墨烯拔出，表明界面結(jié)合不是十分良好。
　　壓力浸滲法制備的復(fù)合材料都很致密，隨石墨烯含量增加略有降低。石墨烯同樣起到對Si球化和細化的作用，界面反應(yīng)產(chǎn)物。借鑒短纖維強化模型建立

5、的石墨烯屈服強度強化模型，計算結(jié)果表明石墨烯強化效率很高，同時引入修正系數(shù)k的概念表征石墨烯分布的方向性和卷曲程度。根據(jù)模型的出石墨烯的強化效率取決于基體的屈服強度、石墨烯片徑與厚度的比值、k值大小且與這三者均是單調(diào)遞增的關(guān)系。根據(jù)石墨烯強化模型的計算，熱擠壓后強化效率的提高源于基體屈服強度提高和石墨烯排布定向性改變兩方面。
　　GNPs/Al-20Si復(fù)合材料強度隨石墨烯含量的變化存在峰值在1.2wt%，與石墨烯臨界含量計算結(jié)果

6、相一致，最大抗拉強度為214MPa，比基體高130%，擠壓后最大抗拉強度為309MPa，比基體提高216%，顯示出石墨烯的超高強化效率；彈性模量的變化基本符合混合定律，在石墨烯含量僅為2.4wt%時復(fù)合材料彈性模量提高34%至105GPa；石墨烯含量為0.6wt%時復(fù)合材料延伸率高于單純基體，說明了石墨烯對Si的球化和細化作用能適當增加復(fù)合材料塑性；熱導(dǎo)率隨石墨烯含量變化的峰值為1.8wt%，表明一定程度的團聚對復(fù)合材料熱導(dǎo)率有所貢獻；