电爆法制备石墨烯及其铜基复合涂层的性能研究

石墨烯与金属粉末混合后容易团聚,不能有效均匀分散,无法充分发挥其优异特性。为解决石墨烯在复合材料中的团聚问题,采用自主研制的电爆设备制备了石墨烯气溶胶,将其与铜粉混合得到石墨烯/铜复合粉体,并制备出石墨烯/铜复合涂层。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)对石墨烯气溶胶及复合材料进行表征分析,并测试涂层的硬度和耐磨性。结果表明,电爆法制备的石墨烯主要为小片径石墨烯,片径尺寸为5~40 nm,层数为3~7层。在浓度0.875 mg/L的石墨烯气溶胶中,衬底放置时间少于10 min时,单个的小片径石墨烯片碰撞吸附在衬底上,未发现凝并后的石墨烯气溶胶凝胶;衬底放置时间超过10 min后,许多小片径石墨烯堆叠在一起,形成石墨烯气溶胶凝胶,且衬底放置时间越长,凝并越严重,石墨烯气溶胶凝胶团也在不断长大。石墨烯/铜复合粉体中小片径石墨烯均匀吸附在铜粉表面,制备出的复合涂层其表面C元素分布均匀,有效解决了团聚问题。0.5 wt.%石墨烯/铜涂层平均硬度为74.8 HV0.05、摩擦系数为0.18,与纯铜涂层相比均有不同程度的提升。结果表明,电爆法制备的石墨烯气溶胶可用于制备石墨烯/铜复合涂层,提高涂层的硬度和耐磨性。该方法有望为制备高性能石墨烯/金属复合材料提供新的途径。

自动连续丝电爆法制备纳米镍粉

研制一种自动连续丝电爆法制备纳米金属粉体的装置．在初始充电电压为5-9kV时进行电爆实验，并对制得的纳米镍粉进行表征。结果表明：该装置可实现自动连续的电爆过程，制得的纳米镍体呈青灰色；粒径较小时，颗粒近似为正方体形，粒径较大时，颗粒为球形或类球形；增大初始充电电压可有效减小纳米镍粉颗粒粒径的分布范围：初始充电电压大于7kV时，可制得平均粒径小于30nm且粒径分布均匀的纳米镍粉．

油幕电爆法对纳米铜粉分散性能的影响

利用自制的油幕电爆装置制备了纳米铜粉。以油酸作为分散剂对纳米铜粉进行分散,利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）、X射线衍射仪（XRD）和透射电镜（TEM）对不同制备方法获得的纳米铜粉在润滑油中的分散性能进行对比分析。结果表明油幕电爆法制得的纳米铜粉分散性较好,产物纯度高,粒径分布范围10~50 nm,平均粒径为30 nm;当添加油酸的体积百分比为5%时,纳米铜粉在基础油中的吸光度最大,即其分散性最好。

电爆法制备石墨烯气溶胶用于石墨烯包覆铝复合粉体

提出了一种通过电爆法制备石墨烯气溶胶并将其用于石墨烯包覆铝复合粉体的新方法,在不破坏石墨烯本征特性的前提下,解决了石墨烯在金属复合粉体中分散不均匀、界面结合弱的问题。利用电爆法制备了一定浓度的石墨烯气溶胶,得到的石墨烯有2种结构:片状和凝胶状。石墨烯层数为5~8层,石墨烯气溶胶均匀分散在腔内。另外,在气流的作用下,通过搅拌将石墨烯气溶胶与球形铝粉颗粒混合,制备了石墨烯含量不同的石墨烯包覆铝复合粉体。当石墨烯气溶胶含量为1.5%(质量分数)时,石墨烯均匀分散在复合材料中,石墨烯片粘附包裹在金属颗粒上。最后,分析了石墨烯气溶胶原位混合形成石墨烯金属复合粉体的机理。

基于改进金属电爆丝法制备氟包覆高活性铝

为了改善纳米铝粉表面氧化失活的特性,制备高反应活性铝粉,采用改进金属电爆丝工艺,用小分子溶剂代替惰性气氛作为保护介质,调节电压获得胶状铝悬浊液,往悬浊液中滴加氟橡胶F2603的乙酸乙酯溶液,氟橡胶在乙酸乙酯/无水乙醇混合溶液中快速饱和析出,由此实现氟橡胶对铝粒子的原位包覆;采用透射电子显微镜(TEM)观察了制备的胶状铝悬浊液的形貌,采用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱对微纳米铝粉进行结构分析,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和纳米红外光谱仪(nano-FTIR)观察了包覆产物的形貌和粒径,采用X射线光电子能谱(XPS)对包覆产物进行表界面分析,采用热重-差示扫描量热仪(TG-DSC)对制备的微纳米铝粉和包覆产物进行热分析。结果表明,电爆制备的铝粒子表面有一壳层,其成分为Al_(2)O_(3)、Al_(4)C_(3)、无定形碳和石墨;氟橡胶通过物理吸附作用对铝粒子进行了良好包覆,得到核壳结构复合材料,其粒径为微米级范围,包覆产物比电爆铝粒子反应温度提前45.73℃,活化能降低108.33kJ/mol,有效改善了微纳米铝粒子活性。

亲油纳米铜粉制备新方法的研究

在电爆法制备纳米粉基础上,开发了一种新的电爆制备亲油纳米粉体法,它能使金属丝在爆炸的瞬间,浸润到液体油中,减少纳米粉体的团聚。研究表明,油浸润条件下所制得的纳米粉的分散性优于传统电爆法所制的纳米粉;制备的纳米铜粉平均粒径为30～50 nm,随电极电压升高,粒径有减小趋势。

电爆喷射沉积法制备Al涂层

提出了带载丝约束电爆法制备Al涂层的新方法。该方法是以聚乙烯带为载体,将Al丝加载在聚乙烯带上自动连续送进爆炸腔发生爆炸制备涂层,继而研究不同工艺参数下的Al涂层。结果表明,储能电容器上的初始充电电压为9.375 kV、沉积距离26 mm时,涂层表面致密、均匀,沉积效率较高(约为51%);涂层表面粗糙度R_(a)由2.51μm减少到了1.29μm;涂层硬度最高为116.8 HV、厚度约为200μm,涂层与基体为典型的冶金结合;根据GB/T 5270—2005《金属基体上的金属覆盖层电沉积和化学沉积层附着强度试验方法》进行弯曲试验,结果表明,涂层与基体没有发生撕裂、脱落、起皮现象,涂层与基体结合强度较好。因此利用带载丝约束电爆法可以成功实现Al涂层的制备。

FeCoCrNiAl_(x)高熵合金的电爆合金化

电爆喷涂是一种表面改性的新方法,它是利用高电压对喷涂材料脉冲放电,瞬时大电流将其加热并发生爆炸,产生高温粒子伴随冲击波喷射到基体表面形成涂层。本工作提出了电爆法制备高熵合金涂层的新工艺,利用XRD、SEM、EDS以及电流电压波形对该方法制备高熵合金涂层的可行性进行了研究。结果表明,FeCoCrNiAl_(x)(x=0,0.5,1.0)合金系涂层都形成了简单的fcc、bcc及fcc+bcc结构固溶体,并且随着Al含量的增加,该涂层的相结构由fcc相逐渐向bcc相转变。涂层表面平整、致密,没有明显的裂纹,且元素均匀分布在涂层表面,并没有发现明显的元素偏聚现象。初始充电电压11 kV下的能量沉积为285.770 J,平均沉积效率达到48.8%。随Al含量的增加,涂层显微硬度逐渐增大,当x=1.0时平均显微硬度达到最大值5318 MPa,大约是基体显微硬度的1.62倍。可以看出,电爆法实现了高熵合金涂层的成功制备。

石墨粉量和颗粒度对电爆炸制备石墨烯的影响

利用自行研制的管内约束石墨粉电爆制备石墨烯的装置,改变石墨粉颗粒度及电爆石墨粉的用量进行系列试验,对电爆后的产物通过SEM和TEM进行表征分析,结合电爆过程中的电流电压信号,研究颗粒度以及石墨粉用量对电爆制备石墨烯的影响。结果表明,石墨粉的平均颗粒度为23μm时,得到的爆炸产物几乎全部为石墨烯。随着单次电爆石墨粉量的增加,石墨烯的产率在减少。平均颗粒度为74μm时击穿前的能量沉积速率明显高于23μm时的能量沉积速率,但颗粒度为23μm石墨粉电爆得到的产物全部为石墨烯,这主要与不同颗粒度天然石墨的成因有关,颗粒度较小,石墨微晶之间的结合较弱。当能量沉积速率较小时,沉积的能量足以使其石墨微晶之间发生断裂。此外,随着粉末量的减小,击穿前能量沉积速率明显提升。