石墨烯复合微粒喷射成型行为模拟与实验

利用ANSYS/LS-DYNA模拟分析了不同冲击速度下石墨烯复合微粒嵌入半固态酚醛树脂基体行为,分析研究了嵌入瞬间石墨烯复合微粒与基体塑性变形现象以及结合深度变化规律。研究表明,复合微粒与基体的塑性变形随冲击速度增大而增大,当冲击速度超过600m/s时,复合微粒完全嵌合在基体中,此时,基体有效塑性应变发生突变,体系发生绝热剪切失稳现象。同时,更多的动能向内能转化,使基体由弹性状态转变为粘弹性状态,从而有助于复合微粒与基体结合。当冲击速度小于600m/s时,复合微粒未完全嵌合在基体中。最后通过实验验证上述结论的正确性。

石墨烯增强铜基复合材料显微组织和性能的研究

采用粉末冶金法制备了质量分数为0%(纯铜)、0.4%、0.8%和1.2%的石墨烯增强铜基复合材料,利用光学显微镜、高分辨场扫描电镜、高精度固体密度仪、数字式电导率仪和万能试验机对石墨烯增强铜基复合材料的微观组织和性能进行研究和分析。结果表明,铜粉纯度高、无杂质,随着石墨烯含量的增加,复合材料的孔隙率随之增加,而且石墨烯的团聚现象逐渐加重,晶粒尺寸呈现先降低后提高的现象,而石墨烯含量在0.8%时,晶粒尺寸最小为43.385 nm。以复合材料的物理性能方面来说,石墨烯增强铜基复合材料的密度和电导率呈现下降趋势。随着石墨烯含量的增加,复合材料的屈服强度和最大抗压强度呈现先上升后下降的趋势,而压缩率呈现逐渐下降的趋势,当石墨烯含量为0.8%时,屈服强度和最大抗压强度达到最大值,分别为80.79和332.88 MPa。

石墨烯复合微粒喷射成型数值模拟分析与实验研究

石墨烯粉末比表面积大、极易团聚,难以控制其在基体中的分散效果,本文利用喷射成形方法控制石墨烯复合微粒在基体中分散行为,数值模拟分析了不同的喷射成形工艺参数对其分散范围和分散均匀性的影响,并进行实验验证。结果表明,石墨烯复合微粒的分散范围随着喷射打印高度的增大而增大;当直射流气压为0.2 MPa时,适当增大旋流气压,喷嘴出口处的气流速度分布相对均匀,同时石墨烯复合微粒运动轨迹的曲率也随着增大,这有助于改善石墨烯复合微粒的分散效果。喷射成型实验结果表明,当直射流气压为0.2 MPa、旋流气压为0.4 MPa、喷射打印高度为3 mm时,石墨烯复合微粒获能得到了较佳的分散效果,其分散标准差为0.3938。

热解温度对直写3D打印石墨烯/SiC_(p)/SiC复合材料性能的影响

通过在碳化硅前驱体聚碳硅烷(PCS)溶液中加入石墨烯/SiC_(p)复合粉末,获得石墨烯/SiC_(p)/PCS浆料,采用直写3D打印(DIW)和高温烧结相结合制备了石墨烯/SiC_(p)/SiC复合材料。PCS在不同热解温度下具有不同的产物与性能,本文研究了热解温度对石墨烯/SiC_(p)/SiC复合材料性能的影响。800℃时PCS转化为非晶SiCxOy,随着温度升高至1500℃,非晶SiCxOy逐渐生成导电性更好的β-SiC与游离碳,石墨烯/SiC_(p)/SiC复合材料的电导率从0.93 S·m^(-1)升高至670 S·m^(-1)。1200℃时,复合材料抗压强度和容积密度分别达到最大的12.3 MPa和1.49 g·cm^(-3)。该研究提供了一种基于PCS浆料的直写3D打印工艺制备高导电轻质多孔石墨烯/SiC_(p)/SiC复合陶瓷的方法。

石墨烯复合微粒喷射成型工艺实验研究

通过实验研究了石墨烯复合微粒喷射成型工艺参数(喷射压力、喷射距离)与送粉量对喷射成型特征区域大小的影响,以及对与酚醛树脂基体有效结合的石墨烯复合微粒数量的影响。先通过单因素实验初步确定工艺参数范围,其次通过正交试验确定最优的工艺参数组合。研究表明,最优工艺参数组合为喷射压力0.20 MPa、喷射距离3 mm、送粉量0.12 g,此时,特征区域直径为2.69 mm,与基体有效结合的石墨烯复合微粒数量为39个,并在酚醛树脂基体内形成了有效导电通路。

钛氧微粒氧化石墨烯-丙三醇复合修饰电流变液及其性能研究

通过研究氧化石墨烯-丙三醇复合修饰钛氧微粒的结构、电流变液的性能,比较了石墨烯修饰前后以及不同添加量对丙三醇复合钛氧微粒电流变液微粒的结构、性能变化规律,发现石墨烯-丙三醇复合修饰微粒可大幅提高电流变液的剪切强度,并提高其稳定性。

凝胶注模成型技术制备氧化石墨烯/HA复合材料的研究

以氧化石墨烯和纳米羟基磷灰石(HA)粉体为原料,采用凝胶注模成型技术制备了氧化石墨烯/HA复合材料。研究了有机单体、浆料固相含量和石墨烯含量对氧化石墨烯/HA浆料粘度的影响,观察了陶瓷浆料的凝胶固化过程并测量了固化后生坯的密度和抗压强度,分析了氧化石墨烯含量对烧结后复合材料抗弯强度和断裂韧性的影响,观察了试样断口的显微组织。研究结果表明,有机单体含量为15%(质量分数,下同),固相含量为45%,氧化石墨烯含量为1.5%时,氧化石墨烯/HA浆料的粘度最佳,为362.9mPa·s,浆料的分散性良好,固化后生坯具有较高的密度和抗压强度。随氧化石墨烯含量的增加,复合材料的抗弯强度和断裂韧度均先增加后降低。当氧化石墨烯含量为1.5%时,1 150℃烧结样品的抗弯强度为81.5MPa,断裂韧性为1.52MPa·m1/2,分别比HA基体提高了151.8%和74.7%,因此添加氧化石墨烯后的HA复合材料的力学性能更佳。

石墨烯/聚合物基复合材料3D打印成型研究进展

石墨烯因其优异的特性,被广泛用于制备聚合物基复合材料,而3D打印作为一种新兴的成型加工方式,正越来越多地应用到石墨烯/聚合物基复合材料的成型制造当中。本文介绍石墨烯/聚合物基复合材料的溶液混合、熔融混合以及原位聚合三种主要制备方式,重点论述喷墨打印成型、熔融沉积成型、立体光固化成型、选择性激光烧结等目前国内外用于石墨烯/聚合物基复合材料成型的3D打印方式及其各自的优势和劣势,以及3D打印成型的石墨烯/聚合物基复合材料制件在电子、能源、生物医学和航空航天等领域的应用,最后指出可打印性好、石墨烯分散均匀、功能特性优异的石墨烯/聚合物基复合材料的研制将会是未来该方向的研究重点。

喷射成型法制备石墨烯杂化碳纳米管应变传感器

采用石墨烯片(GnPs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)制备了高灵敏度和线性应变传感器。通过优化超声时间和球磨混合过程获得GnPs/MWCNTs混合物的最佳分散比(30%GnPs)。然后将混合物喷涂到通过特定条件处理的PU膜上作为应变传感器。单调拉伸结果表明,与纯MWCNTs传感器相比,具有30%GnPs的传感器表现出相对高的传感范围(0~7.5%),传感系数(181.36)和99.545%的线性度。升/降温(0~200℃)实验结果表明传感器升温过程中电阻温度系数为-6.103%/℃,降温过程中电阻温度系数为-5.993%/℃,传感器具有较好的温敏特性和可逆性。

石墨烯/Cu基复合材料的制备及摩擦学性能研究

利用原位还原技术制备了Cu/石墨烯基纳米复合材料.以纳米Cu/石墨烯基复合微粒为原料,利用球磨技术将Cu/石墨烯基复合微粒与Cu粉复合.利用冷压成型技术制备石墨烯/Cu基复合材料,得到目的产物.利用高速环块摩擦磨损试验机考察目的产物的摩擦学性能,发现石墨烯的加入提高了材料的减摩性能.

石墨烯增强尼龙复合材料的拉伸性能

在聚合物复合材料领域中,填料的种类、添加量和分散程度严重影响复合材料的整体性能。作为一种具有优异力学、导电和导热等性能的新兴纳米材料,石墨烯是增强高分子复合材料的理想填料。尼龙即聚酰胺材料,具有比强度高、比刚度高、韧性好、价格低廉且应用领域广泛等特点。通过独创的甲酸-水-尼龙三元机械混合法将石墨烯纳米片均匀包裹在尼龙球形粉体表面,得到石墨烯增强尼龙复合材料,并通过热压成型的方式将其制成测试件,采用力学性能试验与电子显微镜对其进行分析与表征。结果表明在填量为0.1wt%时复合材料的力学性能表现最佳。其中拉伸极限达到46.51±2.29 MPa,断裂伸长率达到55.74±7.18%。随着石墨烯添加量继续增加,材料的杨氏模量缓慢增加但拉伸极限与断裂伸长率开始快速下降。

石墨烯微纳片复合密封垫铺叠热压成型工艺及性能

密封材料在机械电力、石油化工领域具有广泛的应用,是防止发生泄漏和维护设备正常运行的重要基础元件。石墨烯微纳片因其具有良好的导热性、耐腐蚀性和力学性能,成为关键密封材料之一。实验以石墨烯微纳片为主要填料,以酚醛树脂(PF)和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为黏结剂,结合流延成型和堆叠热压成型技术,分别研究了石墨烯微纳片的含量、黏结剂比例和热压成型压力对复合密封垫的抗拉强度、压缩率和回弹率的影响,探索了石墨烯微纳片复合密封垫的铺叠热压成型工艺。结果表明:当石墨烯微纳片含量为55%、PF/PVB质量比为8∶15、成型压力为15 MPa、成型温度为120℃、保温时间为30 min时,石墨烯微纳片复合密封垫具有最佳的成型工艺性和性能,可制备满足质量要求的石墨烯微纳片复合密封垫。

基体配比对VIHPS制备GO-CF/EP复合材料微观组织与形状记忆性能的影响

碳纤维混杂增强复合材料由于具有重量轻、可设计性强等诸多优点,广泛用于汽车、海洋、航空航天等行业.根据固化剂与环氧树脂的配比化学原理,计算出石墨烯-碳纤维混杂增强树脂基(GO-CF/EP)复合材料的最佳配比为1∶5,并采用真空浸渗热压成型工艺(VIHPS)制备1∶2~1∶7共六个配比的试样,结合形状记忆性能测试及微观形貌的观察,得到固化剂与环氧树脂实际最佳配比.实验结果表明,GO-CF/EP复合材料性能主要取决于体系中交联度的大小,交联度越大,复合材料的形状记忆性能越好,微观组织形貌也较理想.当基体配比为1∶5时,GO-CF/EP复合材料体系中交联度最大,微观形貌呈现均匀致密的状态,形状固定率最大,为95.90%;形状回复率最大,为95.40%;形状回复时间最短,为80.30 s;形状回复力最大,为9.48 N.当基体配比为1∶2或1∶7时,固化剂过量或不足,交联度较小,微观组织形貌中有大量的基体聚集区,其形状记忆性能下降,形状固定率及回复率也相应减小,分别为82.99%,81.66%,81.91%,78.75%;形状回复力分别只有5.20 N和5.50 N.

纳微结构Cu/氧化石墨烯的制备及摩擦学性能研究

以Cu SO4与氧化石墨烯为原料利用原位还原技术制得纳微米结构铜/氧化石墨烯复合微粒。利用透射电镜(TEM)、场发射扫描电镜(FESEM)和X射线衍射(XRD)对Cu/氧化石墨烯复合微粒进行表征。将复合微粒修饰并添加到液体石蜡中,利用四球摩擦磨损试验机考察其摩擦学性能。结果表明,利用原位还原技术制备的纳微米结构的Cu/氧化石墨烯复合微粒中铜的粒径在100 nm之内;在392 N、1 450 r/min、30 min实验条件下,质量分数2.0%的复合微粒可使液体石蜡的摩擦因数下降33%,质量分数0.5%的复合微粒可使钢球磨斑直径下降25%。

石墨烯及其复合纳米微粒作为润滑添加剂的研究进展

自2004年石墨烯面世以来,世界各国对石墨烯的研究热情空前高涨,甚至有人将其称为“改变21世纪的材料”。综述了近年来石墨烯及其复合纳米微粒润滑添加剂的摩擦学研究进展,归纳总结了石墨烯单体结构、表面修饰以及复合纳米微粒的组成和润滑机制;指出石墨烯纳米微粒具有良好的摩擦学性能,是当前国际材料科学和摩擦学领域的研究热点之一,其产业化应用可望产生巨大的经济和社会效益;而石墨烯具有超薄纳米片层结构、优异的力学性能及突出的自润滑性能,在润滑添加剂领域的应用前景广阔。但石墨烯及其复合纳米微粒作为润滑添加剂目前仍然面临石墨烯的分散稳定性较差、摩擦过程中的实时服役状态不明确等问题;而实现纳米级石墨烯及其复合材料的绿色环保制备和应用,有助于推动节能减排和实现“双碳目标”,从而促进我国先进制造业的高质量发展。

石墨烯复合微粒群喷射成型行为模拟与实验研究

采用有限元数值模拟和实验的方法,研究了不同冲击速度下石墨烯复合微粒群与半固态酚醛树脂基体结合行为。数值模拟结果表明,基体获得体系分配的能量随着冲击速度增大而增大,基体塑性变形越严重,越有利于二者结合,但过高或者过低的冲击速度会使复合微粒子间出现反弹,不易结合;当冲击速度达到600 m/s时,产生绝热剪切失稳现象,基体表面发生破坏,复合微粒群完全嵌入基体内,且复合微粒相互连接紧密;但冲击速度达到700 m/s时,复合微粒之间发生反弹。通过喷射成型实验测得石墨烯复合微粒群与基体的结合深度,并与模拟数据作对比,验证了冲击速度达到600 m/s时,可实现石墨烯复合微粒与集体的完全结合,并观察了不同板前冲击速度下二者的微观结合形貌;同时复合微粒与基体的结合数量在600 m/s时达到最大值,与模拟结果吻合,得到石墨烯复合微粒群喷射成型的最佳冲击速度。

石墨烯复合微粒喷射成形分散效果研究

将喷射技术应用于石墨烯复合微粒分散成形,对比研究了喷嘴结构、喷射距离、直射与旋流压力比等对石墨烯复合微粒分散范围及分散均匀性的影响。研究表明,复合微粒分散范围受喷嘴出口结构影响较小,且随着喷射距离减小而减小。当喷射距离为2mm,复合微粒溅射系数为0.65左右;与Ⅱ型喷嘴相比,采取Ⅰ型喷嘴喷射所获得的复合微粒集中区相对较小。在控制复合微粒分散均匀性方面,压力比对Ⅰ型喷嘴的分散均匀性影响不明显,而对Ⅱ型喷嘴的分散均匀性影响较大,且当压力比为0.4时,采用Ⅱ型喷嘴可获得最佳分散效果。

雾化喷射压力对氧化石墨烯-SiO2/天然橡胶复合材料性能的影响

采用自主研发的雾化溅射干燥法制备氧化石墨烯(GO)-SiO2/天然橡胶复合材料,基于雾化法中物料液柱在高压作用下撞击高温金属壁面发生溅射爆破,实现液滴的二次分散和水分的瞬间脱除,保持填料GO-SiO2在天然胶乳中的高分散状态。探究了雾化溅射干燥法喷射压力大小对填料GO-SiO2分散的影响及对GO-SiO2/天然橡胶复合材料性能的影响。实验表明,过高或过低的压力都不利于高性能GO-SiO2/天然橡胶母胶的制备,当喷射压力为0.8MPa时,填料GO-SiO2在天然橡胶的分散效果最好,制备的GO-SiO2/天然橡胶复合材料的综合性能最优,其中拉伸强度为31.2MPa,撕裂强度达到89.01kN·m^-1,断裂伸长率为670.90%,在60℃左右损耗因子更低。

不同增强粒子对PLA/TPU复合线材力学性能的影响

聚乳酸(PLA)因具有优异的生物相容性而备受关注,但其制品脆性大、韧性不佳,应用范围受限.本文分别以还原氧化石墨烯(rGO)、纳米SiO_(2)和rGO-SiO_(2)作为增强粒子制备了rGO/TPU/PLA、SiO_(2)/TPU/PLA、rGO-SiO_(2)/TPU/PLA等3种复合线材,研究FDM成型件力学性能变化规律,探究不同粒子的增强增韧机理.研究结果表明:当rGO的加入质量分数控制在3%以下时,拉伸强度会有所增加,当超过3%时,因石墨烯局部团聚导致其韧性明显下降;纳米SiO_(2)的加入改善了PLA与TPU界面结合性,使得韧性大幅度增加,而拉伸强度略有增加;与单一增强粒子相比,SiO_(2)和rGO结合在一起改善了其在基体中的分散效果,rGO-SiO_(2)杂化粒子的增强增韧效果更佳,FDM成型件的抗拉强度、韧性均得到了明显提升.

石墨烯/聚乳酸3D打印复合线材制备及性能研究

采用熔融挤出成型工艺制备了石墨烯/聚乳酸复合线材,研究了模口温度、螺杆转速等工艺参数对复合线材导电性能的影响;研究了不同石墨烯含量对复合线材综合性能的影响;最后进行了石墨烯/聚乳酸复合线材3D打印实验。研究结果表明:只有当模口温度高于195℃时,才能获得表面光滑无气孔缺陷的线材;复合线材电导率随着模口温度和螺杆转速的增加,先增大后减小,合适的模口温度为200～210℃,螺杆转速为13～17 r/min。石墨烯/聚乳酸复合线材拉伸强度和断裂伸长率随着石墨烯含量增加而增大,当石墨烯质量分数为9%时,电导率最高,达到2.7×10^(-2) S/cm。在FDM打印实验中发现:添加石墨烯5%时,其抗弯强度提高了57.1%。与石墨烯/PLA复合线材相比,打印试样的电导率有所提高。