构型化石墨烯纳米片/2009Al复合材料热膨胀系数模拟

石墨烯纳米片/Al复合材料热特性与其微观组织密切相关,但尚缺系统性的从微观结构模拟到热学性能预测。本工作利用有限元软件ABAQUS建立了微观石墨烯纳米片/2009Al复合材料三维模型,分析了石墨烯纳米片分布形式、几何构型和体积分数对复合材料热膨胀系数的影响。结果表明,复合材料的热膨胀系数受石墨烯纳米片的分布形式影响较小。只有当石墨烯纳米片在基体内的分布形式为2簇时,热膨胀系数比其他分布形式小。石墨烯纳米片几何构型和体积分数对热膨胀系数影响明显。随着石墨烯纳米片体积分数的增加,复合材料热膨胀系数逐渐减小。与基体相比,当复合材料中石墨烯纳米片的体积分数为2.5%,且呈集聚分布时,热膨胀系数下降幅度最大,约为27%。通过与实验结果对比,验证了模型的正确性。

温度和湿度对纳米石墨烯片水泥基复合材料压敏性能的影响

研究了纳米石墨烯片水泥基复合材料(GNPs/CC)在不同温度和湿度下的压敏性能。研究结果表明:GNPs/CC在20℃下的压敏性能最佳。温度的升高和降低都会导致GNPs/CC压敏性能的削弱,温度升高会导致灵敏因子出现小幅度的波动,但电阻变化率曲线的线性程度基本不受影响;温度降低则会导致灵敏因子大幅度降低,并导致GNPs/CC电阻变化率曲线的线性程度降低。0RH湿度下,GNPs/CC的压敏性能最佳;65%RH的湿度几乎不会改变GNPs/CC的含水率,对其压敏性能无明显影响;98%RH的湿度会使GNPs/CC的含水率快速增加,并导致了GNPs/CC压敏性能的削弱。

定向分布石墨烯纳米片/Al8030复合材料的低温蠕变性能研究

采用粉末改性和半固态挤压工艺制备了石墨烯纳米片/Al8030复合材料,其中石墨烯纳米片质量分数为0.5%,研究了石墨烯纳米片对铝基复合材料显微组织和低温蠕变性能的影响。结果表明:石墨烯纳米片主要分布于晶界处,并且具有与挤压方向平行的定向分布特征。复合材料样品在服役条件下的稳态蠕变速率与铝合金基体相比下降超过50%。在90℃和50~90MPa实验条件下,基体的蠕变机制以位错攀移机制为主,而复合材料的蠕变则由位错滑移和位错攀移机制共同影响;在120~150℃和50~90 MPa实验条件下,基体和复合材料的蠕变均由位错攀移机制和第二相增强机制协同控制,但石墨烯纳米片的添加使得第二相增强机制对蠕变的控制更明显。

石墨烯纳米片/环氧树脂复合材料的制备与介电性能研究

以天然鳞片石墨为原料,通过Hummers法制备氧化石墨,微波热解剥离制备出少层数的石墨烯纳米片。以硅烷偶联剂KH-560为改性剂,超声共混制备石墨烯纳米片/环氧树脂复合材料。采用FT-IR和SEM分析样品的微观结构和形貌,测试其介电性能。结果表明,随着石墨烯纳米片添加量的增加,复合材料介电常数呈现先增大后减小的趋势,当石墨烯纳米片含量为0.3%(质量分数)时,介电常数达到最大;石墨烯纳米片对复合材料介电损耗的影响与之相反;偶联改性使复合材料的介电常数增大,介电损耗减小。

超声熔铸法制备石墨烯纳米片增强ADC12复合材料的显微组织及力学性能

采用高能超声熔铸法制备石墨烯纳米片增强ADC12铝基复合材料,并对其显微组织及力学性能进行研究。实验结果表明,高能超声可有效促进石墨烯纳米片在熔体中的均匀分散,同时石墨烯纳米片的加入能细化α(Al)相和Si相。得到较优的石墨烯纳米片添加量是0.9%(质量分数),较优的超声时间是12 min,在该参数下制备的复合材料抗拉强度、屈服强度和显微硬度分别为256.8 MPa、210.6 MPa和HV 126.0,与相同条件下的基体合金相比分别提高30.5%、42.7%和34.8%。基体中加入石墨烯纳米片后,其断裂机制逐步由脆性断裂向韧性断裂转变。良好界面的结合和分散性的改善使得复合在基体中的石墨烯纳米片能更好地发挥细晶强化、位错强化和载荷转移强化作用。

EBSD表征变形后退火Al7075/石墨烯纳米片/碳纳米管复合材料

研究变形后退火对碳纳米管(CNTs)和石墨烯纳米片(GNPs)增强热轧Al7075基复合材料显微组织演变的影响。对搅拌铸造样品进行多道次热轧,然后在450℃下退火4 h。采用SEM、EDS和EBSD技术观察材料的显微组织演变。EBSD数据显示,添加体积分数(下同)为0.87%的GNPs和CNTs可明显抑制再结晶的发生。当添加0.96%的CNTs时,再结晶受到部分抑制。而当添加0.92%的GNPs时,明显加快了粒子激发形核(PSN)机制导致的再结晶。在有增强相存在的情况下,再结晶晶粒的体积分数与PSN的产生有显著的关系。主要织构的强度和类型都取决于增强相的种类。

石墨烯纳米片增强银基复合材料

采用粉末冶金方法成功制备了石墨烯增强块状银基复合材料。在V型混粉机中混粉制得含银-0.2%石墨烯纳米片(质量分数)复合粉末并使用冷等静压在200 MPa条件下将复合粉末压制成形。使用热等静压在750℃/100MPa条件下烧结获得石墨烯纳米片增强银基复合材料,然后在850℃条件下进行热挤压获得丝材,挤压比为40。用SEM、TEM和静态拉伸试验等研究了复合材料的微观结构和力学性能,结果表明,复合材料中石墨烯分布均匀,银基体与石墨烯之间界面结合良好。与未增强的银基体相比,银-0.2%石墨烯纳米片复合材料具有显著提高的强度而不损失塑性,表明石墨烯纳米片是银基复合材料理想的增强相。复合材料断口形貌显示出大量韧窝和撕裂棱,其断裂特征为典型的韧窝聚合型延性断裂。

石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料的制备及磨损性能研究

以石墨烯纳米片、聚四氟乙烯(PTFE)为原料,制备了石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料.研究了不同石墨烯纳米片含量(0,0.25%,0.50%,0.75%,1.00%,1.25%(质量分数))对复合材料导热性能、力学性能、摩擦磨损性能的影响.结果表明,随着聚四氟乙烯中石墨烯纳米片含量的增加,复合材料的微观结构趋于无序,其导热系数逐渐增大,导热性能逐步增强;当石墨烯纳米片含量为0.75%(质量分数)时,复合材料的抗拉强度和断裂伸长率最佳;当石墨烯纳米片含量为1.25%(质量分数)时,复合材料的摩擦系数最小,为0.195,磨损量最低,仅37mg.磨损实验前后复合材料的碳结构发生了变化,磨损后复合材料的缺陷增大,石墨化程度大大降低,石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料具有良好的耐磨损性能.

石墨烯片增强纳米复合材料微米圆柱壳的振动和稳定性

基于一阶剪切变形壳理论和应变梯度弹性理论(strain gradient elasticity theory,SGET),研究石墨烯片增强纳米复合材料(graphene platelets-reinforced nanocomposite,GPLRNC)微米圆柱壳的稳定性和自由振动。首先,通过Hamilton变分原理得到系统模型的控制微分方程。其次,利用Navier法获得GPLRNC微米壳的固有频率和临界屈曲载荷的解析解。结果表明:石墨烯片(graphene platelets,GPLs)的充填质量和分布模式影响微米壳的稳定性和振动特性。当壳体内部石墨烯片的质量分数给定时,微米壳在石墨烯片的O-GPLRNC分布下具有最高的固有频率和临界屈曲载荷,在X-GPLRNC分布下则反之。此外,材料长度尺度参数、石墨烯片几何尺寸和微米壳几何尺寸对GPLRNC微米圆柱壳的稳定性和自由振动具有重要影响。

石墨烯纳米片增强铝基复合材料的制备与性能

采用高能球磨、放电等离子烧结以及热挤压工艺制备含量为5.0%(体积分数)的石墨烯增强铝基复合材料。分别采用X射线光电子能谱、透射电镜及拉伸试验研究挤压态复合材料的显微组织与力学性能,发现5.0%(体积分数)的石墨烯分散在铝晶界上,并且未与铝基体发生界面反应。最终,挤压态复合材料的屈服强度和抗拉强度高达462 MPa和479 MPa,分别比挤压态铝基体提高62%和60%。断口分析表明,在断裂过程中复合材料中分散的石墨烯起到明显的载荷传递的作用。上述结果表明,采用高能球磨、放电等离子烧结以及热挤压制备工艺可将高含量石墨烯分散于铝合金中,且能控制石墨烯和铝基体之间的界面反应。

碳纳米管和石墨烯纳米片复合增强AZ91镁基复合材料组织与力学性能

目的解决纳米碳材料在镁基体中分散难的瓶颈问题,制备出力学性能优异的镁合金复合材料。方法采用超声工艺将质量分数为3.0%的碳纳米管插入到质量分数为0.5%的石墨烯纳米片的片层之间,添加到AZ91镁合金基体中,借助粉末冶金技术+热挤压工艺制备了0.5%GNS+3.0%CNTs复合增强的镁基复合材料。采用光学显微镜和透射电子显微镜观察和分析了复合材料的显微组织和界面结合。测试了复合材料的力学性能,并利用扫描电子显微镜观察了复合材料的拉伸断口形貌。结果复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分别为(274±5.0)MPa,(8.4±0.2)%,HV(90.5±1.8),与基体合金相比,分别提高了63.1%,20.0%,20.1%。结论GNS+CNTs的加入有效细化了基体合金的晶粒组织,且与镁基体形成了较好的界面结合,促使细晶强化、应力转移强化等各种强化机制的共同作用,使复合材料力学性能显著提高。

氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料微观结构和性能的影响

通过对石墨进行氧化和超声波分散制备了氧化石墨烯纳米片层(GON)分散液,研究了GON对水泥复合材料微观结构和性能的影响。结果表明,GON能够调控水泥水化产物形成规整多面体状晶体及促使水泥基复合材料形成具有花状形貌的规整结构,使水泥基复合材料的抗压强度及抗折强度有明显的提高。研究认为,GON对水泥水化产物的形成有模板效应,能够促使水泥水化产物成为规整的多面体状晶体,这些多面体状晶体通过交织形成了规整有序的微观结构,研究结果对于提高水泥基复合材料强度和耐久性具有积极意义。

石墨烯微片的尺寸和形态对聚丙烯基纳米复合材料导电导热性能的影响

通过熔融共混法制备了5种不同石墨烯微片(GNP)的聚丙烯(PP)/GNP纳米复合材料,采用电子和光学显微镜等仪器和导电导热等性能测试研究了GNP的尺寸和含量对PP基纳米复合材料导电导热性能的影响。结果表明,同一厚度的GNP片径越大,片层间的接触面积也越大,复合材料导电导热性能越好;同一片径的GNP,片层薄的在PP基体中的剥离程度和分散程度好,相应的PP/GNP纳米复合材料的导电导热性能好;而且GNP含量的改变对PG-100、PG-030和PG-G5导电导热性能的影响是不同的;其中PG-030导电网络最先形成,渗流阈值最低,而PG-G5在高含量时导电和导热率最高。

石墨烯纳米片/AZ91镁基复合材料的显微组织与力学性能

采用铸造工艺制备了石墨烯纳米片(GNPs)增强的AZ91镁基复合材料,测试了复合材料的力学性能,并利用光学显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪对复合材料的微观组织、界面结合和断口形貌进行了表征和分析,讨论了复合材料的强化机理。结果表明:石墨烯纳米片可有效细化镁基体的晶粒组织,在添加少量石墨烯纳米片时(0.1%),复合材料的屈服强度、延伸率和显微硬度分别为(164±5)MPa、(7.7±0.1)%和(74.2±2)HV,比基体分别提高了37.8%、13.2%和24.7%。GNPs与镁基体形成了强界面结合,这更有利于发挥应力转移强化、细晶强化等作用,提高镁合金强度、塑性等力学性能。

石墨烯增强铝基纳米复合材料的研究

采用球磨和粉末冶金方法成功制备出石墨烯增强铝基纳米复合材料,命名为铝基烯合金。首次发现石墨烯纳米片的添加在保持材料良好塑性的同时,显著提高了其强度。利用OM,SEM和TEM对铝基烯合金微观组织结构进行表征,并测试其拉伸性能。结果表明:石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中,与基体形成良好的结合界面,且石墨烯纳米片与铝合金基体未发生化学反应,并保留了原始的纳米片结构;铝基烯合金中石墨烯纳米片含量为0.3%(质量分数)时,铝基烯合金的平均屈服强度和抗拉强度分别达到322MPa和454MPa,较未添加石墨烯纳米片的合金分别提高58%和25%,且伸长率略有提高。基于石墨烯纳米片特殊的二维褶皱结构,讨论铝基烯合金的增强增韧行为。

石墨烯纳米片增强铝基复合材料的动态力学行为

采用压制-烧结-热挤压工艺制备石墨烯纳米片(GNFs)增强铝基(Al)复合材料,并对其进行压缩性能测试。结果表明:GNFs/Al复合材料是应变率敏感材料,当应变率从10^(-3)s^(-1)提高至3×10~3s^(-1)时,复合材料的强度明显提高;而当应变率继续提高至5×10~3s^(-1)时,由于材料内部发生热软化,复合材料的强度反而表现出少许下降。动态压缩后复合材料中铝基体发生动态再结晶,且应变率越高,动态再结晶越显著;增强相GNFs则发生扭曲变形后仍保持完整结构且与基体间保持原子间结合。因此,GNFs/Al复合材料具有良好的动态压缩塑性。

加载条件对纳米石墨烯片水泥基复合材料压敏性能的影响

研究不同纳米石墨烯片(GNPs)掺量下加载幅值(15 MPa、20 MPa、25 MPa)和加载速率(100 N/s、300 N/s、500 N/s)对纳米石墨烯片水泥基复合材料(GNPs/CC)压敏性能的影响。试验结果表明:在GNPs掺量低于0.25%(质量分数,下同)时,GNPs/CC的压敏性能与空白组相近;在掺量达到0.3%时,GNPs/CC的电阻变化率最大,且重复性最好。在GNPs掺量为0.3%的情况下,GNPs/CC的电阻变化率与应变随加载幅值的增加而增大,在加载幅值不大于20 MPa时,GNPs/CC的电阻变化率与应变的增加幅度相近,材料的灵敏因子变化较小;在加载幅值达到25 MPa时,由于电阻变化率的增加幅度大于应变的增加幅度,材料的灵敏因子出现了较明显的增加。而加载速率在纳米石墨烯片掺量为0.3%时,对材料的压敏性能无明显影响。

石墨烯纳米片/顺丁橡胶复合材料的制备和性能研究

采用高比表面积的石墨烯纳米片(GNP)对顺丁橡胶(BR)进行改性研究,考察不同质量份的GNP对BR的影响。采用扫描电镜分析GNP在基体中的分散情况以及与基体相容性,通过万能拉伸试验机和动态热力学分析仪的测试考察GNP填料对复合材料力学性能的影响。研究结果表明:GNP与BR具有良好的相容性,且当GNP用量为1质量份(BR用量为100质量份,下同)时,复合材料的力学性能最优,断裂强度可达9.11 MPa,断裂伸长率达到221%,撕裂强度为46 kN/m,与未添加GNP改性的复合材料相比断裂强度和撕裂强度分别提高了45%和24%;复合材料在不同频率范围内的储能模量均明显提高,但过量的GNP(GNP用量大于1质量份)对BR的增强效果不明显。

吡咯分子官能化石墨烯纳米片对天然橡胶纳米复合材料力学和电学性能的影响

纳米尺度的碳同素异形体是许多研究的主题:碳纳米管(CNT)、石墨烯(G)和石墨烯相关材料(GRM)因其优异的性能而受到广泛的研究。石墨烯尤其受到关注,其目的也是建立石墨材料的特性与晶体结构层数之间的相关性。根据ISO命名法,两层堆叠的石墨烯层形成双层石墨烯,几层石墨烯由堆叠的石墨烯层组成,从3到10层不等。对60家生产商基于石墨烯的商业产品的一项研究表明:“大多数公司的石墨烯含量低于10%,目前没有一家公司的石墨烯含量超过50%。”因此,有必要对正在研究的石墨材料有一个清晰的认识。

石墨烯纳米晶片对提高CNT-CB填充聚(1,4-顺式-异戊二烯)基纳米复合材料性能的作用

研究了市售碳同素异形体和顺式1,4-聚异戊二烯(IR,又称“异戊二烯橡胶”)基纳米复合材料。所用的碳同素异形体为剥离型石墨烯纳米晶片xg C750(xGnPs)、碳纳米管(CNT-NC7000)和炭黑(CB-Printex xe2)。首先用炭黑和CNT与IR混炼制备CB-CNT基母炼胶。通过添加2~15质量份xg C750获得了终炼纳米复合材料。介绍了在橡胶基质中增加xg C750填充量对填充胶动态力学性能、热性能和电性能的作用。通过多次滞后损失试验证实了填料网络化的稳定性。