镀镍石墨烯/钛复合材料界面力学行为的分子动力学研究

目的研究拉伸载荷下镀镍石墨烯/钛复合材料界面的应力-应变行为。方法采用分子动力学模拟方法,建立了镀镍石墨烯/钛复合材料界面的单晶模型,研究了不同方向拉伸载荷下材料的力学行为。结果镀镍石墨烯复合材料的力学性能随着镀层厚度的增大而提高,镀层镍可以作为位错源使复合材料的位错密度提高,镀层镍塑性变形的滞后使镀镍石墨烯/钛复合材料具有更高的塑性变形能力。结论材料的力学性能更多依赖于镀镍层数,随着镀层厚度的增大,镀镍石墨烯/钛复合材料表现出了更高的抗拉强度,但界面处的裂纹和空洞数量也有所增加,材料的延伸率有所下降。

功能梯度石墨烯增强多孔复合材料阶梯圆柱壳的振动特性

对功能梯度石墨烯增强多孔复合材料(FG-GPLRPC)阶梯圆柱壳的振动特性进行了研究。首先,采用Halpin-Tsai微观力学模型以及开胞体理论得到FG-GPLRPC阶梯圆柱壳的有效材料属性。其次,基于一阶剪切变形理论和惩罚参数法推导出壳体结构的能量表达式。最后,采用Jacobi-Ritz法建立壳体结构的振动控制方程,并求得结构的无量纲频率,验证了方法的有效性和正确性。结果表明,石墨烯质量分数、孔隙系数和边界弹簧刚度值对振动特性的影响显著,层数对振动特性的影响较小,尺寸参数对振动特性的影响不同,并得到了壳体频率随周向波数先减小后增大的变化规律。

钛基石墨烯复合材料的分散性、界面结构及力学性能

石墨烯由于独特的结构和优异的力学、导电、润滑等性能,被认为是理想的金属基复合材料的增强体。将石墨烯作为增强体增强钛基复合材料有着巨大的应用潜力。然而,石墨烯的分散性及其与钛基体的反应是制约获得高性能石墨烯增强钛基复合材料的难点。本文综述了钛基石墨烯复合材料的分散性、界面及力学性能的研究进展。钛基石墨烯复合材料通常采用粉末冶金法制备,石墨烯能较均匀地分散于复合材料组织中,但当石墨烯添加量过多时仍会出现团聚现象。石墨烯与钛基体易发生反应生成TiC,通过固化烧结工艺的改进、基体复合化、石墨烯表面改性以及原位自生等方法可以有效地抑制界面反应并提高界面结合力。随着石墨烯含量的增加,钛基石墨烯复合材料的压缩、拉伸强度与硬度一般呈现先增大后减小的趋势。石墨烯增强钛基复合材料的强化机制通常以载荷传递强化为主,但有些情况下由石墨烯引起的位错强化、细晶强化及奥罗万(Orowan)强化效果也较为显著。

石墨烯增强钛基复合材料研究进展

非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)具有高比强度、低密度、优异的耐蚀性等诸多特性,在航空航天、国防工业、交通运输等领域具有广泛的应用前景。石墨烯具有良好的本征物理和力学性能,是近年来的二维碳纳米“明星”材料,被视为极具潜力的DRTMCs纳米增强体。国内外研究者聚焦DRTMCs设计与制备,突破了低温快速成型和界面改性等关键技术,初步实现了界面精细调控和微观构型,获得石墨烯在钛基体中的本征增强,制备出强塑性匹配较好的DRTMCs。简要综述近些年来石墨烯增强钛基复合材料的设计方法和制备工艺,探讨界面反应、界面结构、微观构型等关键因素对复合材料力学性能和失效机制的影响规律,并提出石墨烯增强钛基复合材料未来的发展方向。

还原石墨烯改性二氧化钛/壳聚糖多孔复合材料的光催化性能

采用冷冻浇注法制备TiO_2/壳聚糖多孔复合材料,研究二氧化钛含量对该复合材料的微观结构、抗压强度及光催化性能的影响。结果表明:TiO_2/壳聚糖多孔复合材料具有明显的长程有序结构,片层状排列的平行度良好。随TiO_2含量(质量分数,下同)从66.7%增加到88.8%,片层中的孔间距从50~45μm逐渐减小到5~10μm,片层厚度从2~3μm增加到20~25μm,多孔片层的致密度增大,复合材料的抗压强度也从0.05 MPa提高到0.12 MPa。当壳聚糖含量为13.3%、二氧化钛含量为85.7%、还原石墨烯含量为1%时,通过添加还原石墨烯对二氧化钛进行改性,所得的TiO_2/壳聚糖多孔复合材料在300 min时对甲基橙的光降解率由92.4%提高到97.0%。

激光烧结石墨烯钛纳米复合材料及其耐腐蚀性能

石墨烯增强钛基纳米复合材料,因其良好的力学性能有望成为轻质高强结构材料。为了研究其硬度和耐腐蚀性能,在AISI 4140合金结构钢的基板上采用激光烧结的方法制备了石墨烯钛纳米复合材料。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、拉曼光谱仪等研究了其微观结构、相组成和显微硬度等,并采用电化学极化法研究了激光烧结石墨烯钛纳米复合材料和纯钛在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明:激光烧结后石墨烯存在并均匀分散于钛基纳米复合材料中,石墨烯的添加使得钛基纳米复合材料的显微硬度达到了450HV0.2,与激光烧结纯钛(180HV0.2)相比提高了1.5倍。石墨烯钛纳米复合材料的腐蚀电位比激光烧结纯钛的腐蚀电位有明显提高,从-0.64 V提高到-0.59V;同时,腐蚀电流从1.6×10-7 A/cm2降低到7×10-8 A/cm2,说明其耐腐蚀性能优于激光烧结纯钛。

石墨烯增强钛基复合材料制备工艺与性能研究

以多层石墨烯为增强体,通过熔炼锻造(MF)和粉末冶金(PM) 2种工艺分别制备出规格为Φ10 mm的石墨烯增强钛基复合材料棒材。石墨烯在凝固过程中以TiC枝晶形态析出,变形后呈细小颗粒,其中Ti和C原子比约为2∶1。石墨烯和球形钛粉经过机械合金化和变形加工,在基体中反应形成薄片层。MF工艺对应的棒材拉伸强度可达476 MPa,延伸率保持在28%; PM工艺对应的棒材拉伸强度可达487 MPa,延伸率保持在30%。PM工艺可形成尺寸较小的薄片状石墨烯增强体,强化作用提升,同时塑性没有显著下降。

石墨烯增强钛基复合材料的摩擦学性能研究

采用球磨法将不同含量的石墨烯与纯钛粉末混合,通过放电等离子烧结工艺在1 200℃制备石墨烯/Ti基复合材料。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪研究复合粉末混合前后的形貌和物相结构;用显微硬度计、摩擦磨损试验机以及三维白光轮廓仪等分析复合材料的显微硬度和摩擦磨损性能。结果表明:干法球磨和放电等离子制备的复合材料组织致密,石墨烯均匀分布在钛基体中,提高基体材料的显微硬度和耐磨性;当石墨烯的质量分数为0.8%时,复合材料硬度值增加到350.3HV,相对纯钛基体提高14.7%;当石墨烯的质量分数为0.6%时,复合材料的磨损体积降低到3.3×107μm3,相对纯钛基体降低19.5%;加入石墨烯对复合材料的摩擦因数影响不明显,摩擦因数为0.474～0.488。

镀铜石墨烯增强钛基复合材料的组织及性能研究

本实验通过超声搅拌加球磨的方式制备了镀铜石墨烯(GNPs)增强Ti6Al4V(TC4)钛基混合粉体,将粉体压制后采用微波烧结制备GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱分析、显微硬度、室温压缩和摩擦磨损等测试手段,研究了石墨烯含量对钛基复合材料微观组织及力学性能的影响。研究结果表明:各石墨烯含量的钛基复合材料均出现Ti_(2)Cu、TiC相,当石墨烯含量为0.5%时出现GNPs相,且含量越高GNPs相的峰越高。随着石墨烯含量增加,钛基复合材料的相对密度、显微硬度、室温压缩强度和耐磨性先增加后降低,其中石墨烯含量为0.8%时复合材料的性能最好。与未加入石墨烯的Ti6Al4V基体相比,石墨烯含量为0.8%的GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的显微硬度和压缩强度分别提高80.9%、69.9%。GNPs/Ti6Al4V和GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的压缩强度分别比Ti6Al4V基体高33.2%和69.9%。微波烧结制备GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的压缩强度分别比真空烧结和热压烧结高41.6%、22.9%。GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的磨损机制为磨粒磨损与粘着磨损共存。

多孔氮化碳/石墨烯复合材料的实验制备

设计了多孔氮化碳/石墨烯复合材料的制备实验,利用三聚氰胺与氯化钠共混煅烧得到多孔氮化碳(FCN)后,以多孔氮化碳(FCN)与氧化石墨烯(GO)为基体,通过水热法合成三维多孔功能氮化碳/还原氧化石墨烯(FCN/RGO)复合材料。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜表征了FCN/RGO的内部结构和微观形貌,并通过电化学工作站分析了FCN/RGO的电化学性能。分析结果表明,与传统的块状氮化碳/还原氧化石墨烯(BCN/RGO)相比,FCN/RGO的电化学性能有显著提升,在电流密度为0.5 A/g时,比电容达到277 F/g,与BCN/RGO相比提升了29.4%;且在经过1000圈循环后比电容保持率依旧达99.1%。FCN/RGO复合材料组装的电容器充电后可点亮红色LED灯,在超级电容器电极材料领域具有一定的应用潜力。

分级多孔石墨烯/活性炭复合材料的制备及其电化学电容性能分析

采用液相共混法,以酚醛树脂和氧化石墨为原料,得到氧化石墨烯/酚醛树脂复合材料,再通过高温碳化和活化工艺,制备出石墨烯/活性炭复合材料.采用循环伏安和恒流充放电测试表征其电化学电容性能,结果表明:该复合材料在0. 5 A·g-1的电流密度下比电容高达197 F·g-1,当电流密度增加到10 A·g-1时,比电容为163 F·g-1,电流增加20倍,电容保持率为83%,在0. 5 A·g-1的电流密度下循环1000次,未见容量有衰减,电容保持率为100%.这表明该复合材料具有优良的电容性能.

多孔石墨烯及其复合材料的研究进展

多孔石墨烯除具有石墨烯本征性质之外,因多孔结构,使其具有更大的比表面积,这些独特的性质使多孔石墨烯及其复合材料在材料科学领域受到极大关注。研究表明,多孔石墨烯及其复合材料应用于超级电容器、能量储存和转换、生物传感等研究领域,均展现出优越的性能。综述多孔石墨烯及其复合材料的性能特点、制备方法和在能源、环境、传感器、催化等领域的应用,并对其未来研究发展方向进行展望。

石墨烯增强钛基复合材料界面的第一性原理研究

为了研究钛基石墨烯复合材料的界面结构与性能,建立了石墨烯/钛单界面模型（GR/Ti）和双界面模型（Ti/GR/Ti）,运用第一性原理对界面模型进行能量最小化,计算了稳定界面的结合能、电子态密度、Mulliken布居以及径向分布函数。结果表明,双界面模型的粘附能是单界面模型的2.3倍,相互作用更强;两种模型的石墨烯表面均与最邻近的两层钛原子发生相互作用,最邻近的Ti层与C原子发生强烈杂化,Ti原子d轨道贡献最大,Ti/GR/Ti模型的电荷转移量更多,共价作用更强;确定了界面键合特性为金属键和共价键,Ti/GR/Ti双界面模型的晶体结构和电子性质在界面平滑过渡,各层原子之间结合更为紧密,结构更稳定。

石墨烯基锆钛复合材料改性棉织物的制备及其远红外发射性能

为进一步提高石墨烯基纳米复合材料的远红外发射特性,通过一步水热法利用锆钛氧化物对氧化石墨烯进行纳米复合改性,制备了二氧化锆/二氧化钛/还原型氧化石墨烯(ZrO 2/TiO 2-rGO)纳米复合材料。以水溶性聚氨酯为黏合助剂将ZrO 2/TiO 2-rGO与纺织品相结合,制备出具有远红外发射性能的棉织物。借助扫描电子显微镜和傅里叶红外分析光谱对制备的ZrO 2/TiO 2-rGO复合材料表观形态和内部结构进行表征;通过远红外发射率和红外热成像技术表征了改性棉织物的远红外发射性能。结果表明:在温度为120℃,时间为4 h,氧化石墨烯、二氧化钛、氧氯化锆质量比为5∶3∶2的合成条件下整理棉织物时,其远红外发射率较未整理棉织物高出约2.5%;这种方法可有效减少石墨烯含量,且远红外发射性能优良。

多孔石墨烯制备及其纳米复合材料的研究进展

多孔石墨烯是一种在石墨烯二维纳米基面上具有纳米孔隙或三维网络结构的多孔碳材料,不仅保留了石墨烯的本征性质,更赋予材料较大的可接触面积和丰富的孔隙结构,这些孔隙的存在有利于物质运输和筛分,使得石墨烯及其复合材料在纳米粒子负载、物质运输、吸附、分离等方面展示出广阔的应用前景。综述了多孔石墨烯的制备方法,包括活化法、冷冻干燥法、模板法和沉积法,以及多孔石墨烯在超级电容器、锂-氧电池、吸附、分离领域的应用现状,并展望了未来的发展方向。

石墨烯增强钛基复合材料界面调控及强韧化机理研究进展

高超声速飞行器等航空装备的快速发展对钛合金综合性能及应用水平提出更高要求。采用传统热工艺技术制备钛合金的性能已经接近或达到理论极限。传统技术很难大幅提高钛合金的综合性能,探寻石墨烯技术改性钛合金成为一个重要发展方向。然而,钛合金中石墨烯的界面反应控制难度大,如何获得具有良好结合强度的石墨烯/钛界面是石墨烯增强钛基复合材料性能提升的基础与关键。本文在分析制约石墨烯增强钛基复合材料发展系列问题基础上,重点介绍石墨烯增强钛基复合材料微观组织、界面特征以及静态/动态力学性能、摩擦磨损、抗氧化性能和石墨烯强韧化机理等方面的研究进展,探讨现阶段解决石墨烯增强钛基复合材料分散均匀性、界面结合性和组织致密性的方案和优缺点,最后指出该类型材料在界面调控、大规模制备和性能稳定性等方面技术面临的挑战,并提出该类型材料发展应与理论计算技术、先进制备技术和特种功能应用相结合,深化界面优化设计和可控制备,拓宽应用领域。

用于多孔质气体轴承的石墨烯/青铜复合材料的原位制备

多孔质材料相对于小孔节流形式的气体轴承材料有可发挥较大承载力和小加工误差等优势。为了满足气体轴承多孔质及高性能的需求,本工作通过粉末冶金和化学气相沉积相结合的方法在三维多孔青铜上原位生长石墨烯,制备出具备特定气体渗透率的耐磨性能优良的石墨烯/青铜基多孔复合材料。结果表明青铜表面原位生长获得了大面积连续石墨烯,这种二维平面结构实现了其与青铜基体良好的界面结合。相较于多孔青铜,石墨烯/青铜基多孔复合材料摩擦系数与磨损量分别降低了28%和30.4%,该复合材料的研究有望为高性能多孔质气体轴承的研制提供一种新方法。

模板法制备三维多孔石墨烯及其复合材料研究进展

三维多孔石墨烯及其复合材料作为一种功能材料在能量存储、光电器件、气体分离和存储、吸附和传感器等领域得到关注。模板法由于能够精确控制孔尺寸、形貌和结构得到广泛研究。综述了利用分子筛、沸石、SiO_2等硬模板,胶束、乳液、嵌段共聚物等软模板以及植物、粉末冶金、原位自牺牲等非传统模板制备三维多孔石墨烯及其复合材料的方法,并分析了各种方法的优缺点及材料性能。以期为三维多孔石墨烯及其复合材料的研究提供参考。

石墨烯/磺酸盐型水性聚氨酯多孔复合材料的制备及其性能

水性聚氨酯作为柔性基材在智能可穿戴电子器件中具有广泛的应用前景.本文首先以异佛尔酮二异氰酸酯、聚己二酸乙二醇酯二元醇和乙二胺乙磺酸钠为原料制备了磺酸盐型水性聚氨酯,并将其作为柔性基材和辅助分散剂;然后利用电化学剥离法制备了高质量石墨烯纳米填料,通过溶液共混的方式制备出石墨烯/磺酸盐型水性聚氨酯多孔复合材料(Gr/SWPU),并成功应用于摩擦电式柔性传感器.实验结果表明:当石墨烯用量为0.3%时,石墨烯在Gr/SWPU中分散均匀,薄膜吸水率为5.98%,抗张强度可达11.93 MPa,断裂伸长率高达1055.84%,热分解温度升高,表面电阻率为6.53×10^(8)Ω·cm,采用该多孔复合薄膜制备的柔性传感器具有5 V的开路电压,在柔性传感器领域有着广阔的应用前景.

三维多孔氧化铝陶瓷石墨烯复合材料的研制

以三维多孔氧化铝陶瓷块体为载体,首先通过溶液浸渍法制备了负载有镍离子的三维多孔陶瓷催化剂块体,采用还原气氛将催化剂块体中的镍离子盐还原成镍颗粒,以还原后的镍颗粒为催化剂,在含碳气体中,通过化学气相沉积法在三维多孔氧化铝陶瓷骨架表面制得了三维多孔氧化铝陶瓷-石墨烯块体复合材料。通过扫描电子显微镜,拉曼光谱对制得的三维多孔氧化铝陶瓷-石墨烯块体复合材料进行了表征,结果表明在三维多孔氧化铝陶瓷骨架表面包括外表面和骨架内部孔隙表面均生长了石墨烯,石墨烯为少层或寡层。