石墨烯/Al复合材料的微观结构及力学性能

采用乙醇溶液分散和球磨两步法将石墨烯和铝粉混合,然后采用冷压和真空热压烧结相结合工艺制备了石墨烯/Al复合材料。利用扫描电镜、X射线衍射、电子万能实验机和显微维氏硬度计等分析了复合粉体混合前后形貌,研究了石墨烯添加量对复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明：采用乙醇溶液分散和球磨两步法,石墨烯均匀分散在铝颗粒基体中,得到混合均匀的复合粉体。冷压-真空热压烧结制备的复合材料组织致密,界面结合良好,石墨烯呈片状均匀地分布在铝基体中。随着石墨烯含量的增加（0.5%~2%,体积分数）,复合材料强度和硬度均逐渐升高;当石墨烯的含量为1%时,复合材料的综合力学性能较好,强度和硬度分别达到199 MPa和82.95 HV,相对纯铝基体的分别增加了99%和113%。

搅拌摩擦加工制备石墨烯/Al复合材料的界面微观结构

以纯净石墨烯为原料,采用搅拌摩擦加工法制备石墨烯/Al复合材料,主要通过透射电镜等手段观察分析复合材料石墨烯?Al的两种界面,即石墨烯平面?Al、石墨烯边缘?Al的界面微观结构,并对界面形成机制进行了分析。结果表明:石墨烯平面?Al界面清晰,是典型的机械结合界面;而石墨烯边缘?Al界面存在过渡,且在其附近偶尔还发现Al4C3的分布,此区域主要以扩散结合并可能具有部分反应(扩散+部分反应)的界面形式存在。复合材料的界面形成机制与石墨烯不同位置的C原子活性有关,平面内C原子的大π共轭结构使其高度惰性,形成机械结合界面;而搅拌摩擦加工过程对石墨烯的破坏主要发生在边缘,由于C—C键合被破坏,石墨烯边缘活泼的C原子与Al基通过C—Al原子的相互作用而形成扩散+部分反应的过渡界面。

Cu-(石墨烯/6063Al)复合材料的设计制备及组织性能研究

以6063Al合金粉末、石墨烯纳米片和厚度为2 mm的纯Cu片为原材料,利用冷等静压+真空热压烧结+热挤压的方法制备了Cu-6063Al复合材料含0.5%、1.0%(质量分数)石墨烯的Cu-(石墨烯/6063Al)复合材料。通过XRD、SEM和拉伸试验机对三种复合材料进行物相分析、微观组织和断口的SEM形貌表征及力学性能测试。试验结果表明:石墨烯/6063Al与Cu的冶金结合,能够有效抑制Al原子的扩散,从而对Cu-6063Al复合材料中Cu/Al界面处Al4Cu9、Al2Cu和AlCu三种金属间化合物的形成起到抑制作用。0.5%和1.0%含量的Cu-(石墨烯/6063Al)复合材料的抗拉强度为76.9 MPa和101.3 MPa,相比Cu-6063Al复合材料分别提高了40%和83.8%,而伸长率均有所降低。Cu-(1.0%石墨烯/6063Al)复合材料具有优异的力学性能,一方面源于Cu/Al界面处少量的脆性相,另一方面源于靠近界面层的Al侧存在数量更多、尺寸更小、更深的韧窝、较宽的撕裂棱和更紧密结合、均匀分布的石墨烯纳米片。

自润滑Cu-10Mn-10Al/石墨复合材料的摩擦磨损性能研究

采用粉末冶金技术,以石墨作为固体润滑组元制备Cu-10Mn-10Al/石墨复合材料,研究不同石墨含量下该材料的组织结构、摩擦磨损性能。结果表明:在烧结过程中,部分石墨会形成连续网状,其余部分则相互聚集形成片状整体。随着石墨含量的增加,材料的密度降低,孔隙度先增大后保持不变;同时摩擦因数和磨损率随石墨含量增加呈现先迅速降低后缓慢增加的趋势,在石墨含量为1%时,材料的摩擦因数和磨损率最小。

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。

高导热GE/Al_2O_3/CO-PA复合材料的制备与性能

以石墨烯(GE)和氧化铝(Al_2O_3)为导热填料,三元共聚尼龙(CO-PA)为基体,硅烷偶联剂KH-550为表面改性剂,通过溶液共混的方法制备了石墨烯/氧化铝/三元共聚尼龙导热复合材料。XRD和SEM分析表明,GE、Al_2O_3的加入改变了尼龙的结晶晶型; DSC与TGA分析表明,GE与Al_2O_3的填料体系降低了尼龙的结晶性能,同时复合材料的热稳定性得到提高;热导率测试结果表明,填料的添加使复合材料的热导率得到较为明显的提高,当Al_2O_3的添加量为50%,GE添加量8%时,复合材料的热导率提高了8. 8倍;力学测试表明,低含量的导热填料能够提高复合材料的力学性能,当Al_2O_3添加量为50%,GE含量为1%时,复合材料的屈服强度提高了62. 1%,当Al_2O_3添加量为30%时,复合材料的拉伸强度提高了21. 2%。

GNFs/Al2O3/Al基复合材料的微观组织与耐磨性能

为提高铝基复合材料的耐磨性,采用热压烧结方法制备镀镍石墨烯三氧化二铝混杂增强铝基复合材料。利用SEM、XRD分析复合材料的微观组织及物相,通过摩擦磨损实验测试其耐磨性能。结果表明:超声与电磁复合处理可以将石墨烯分散到铝复合粉体中;利用热压烧结工艺控制,可在复合材料中生成增强体Al2O3;镀镍石墨烯在热压烧结后,表面仍然保留大量的Ni、Sn和P等元素,石墨烯与铝基体的界面反应得到抑制;在干摩擦条件下,随着镀镍石墨烯含量的增加,铝基复合材料的摩擦系数显著降低,波动范围明显减小;当石墨烯质量分数为3.00%时,复合材料摩擦系数降低至0.3以下,耐磨性能显著提高。

热挤压石墨烯/Al基复合材料的组织及性能研究

随着科技的不断发展,为满足军工、航空航天、汽车、电子工业等对铝合金的性能提出的更高的性能、功能及结构等需求,Al基复合材料具有高比强度、高比刚度、低密度、低热膨胀系数、高耐磨性,由于其优异的力学性能及良好的可加工性成为该领域的关键新型材料。实验采用粉末冶金技术制备了石墨烯质量分数为1%的石墨烯/Al基复合材料,通过扫描电镜(SEM),高分辨透射电镜(HRTEM)和拉伸试验机表征了烧结态和挤压态石墨烯/Al基复合材料的微观组织,拉伸性能和断口形貌,系统性研究了热挤压前和热挤压后Al基复合材料中石墨烯纳米片的分布状态,进而探明了热挤压工艺对石墨烯/Al基复合材料组织和性能的影响。结果表明:挤压态石墨烯/Al基复合材料的组织均匀致密,缺陷和孔洞数量明显较烧结态大幅降低。超声分散和热挤压工艺有效抑制了石墨烯与Al基体的有害界面反应。挤压态石墨烯/Al基复合材料的抗拉强度和伸长率为161.34 MPa和23.57%,较烧结态(124.41 MPa,20.78%)分别提高29.7%和13.5%。断口形貌显示烧结态石墨烯/Al基复合材料的断口韧窝小并且浅,撕裂棱光亮,而挤压态石墨烯/Al基复合材料的韧窝大而深,且大小不一,同时存在断裂的石墨烯和较深的脱落坑。

烧结温度对放电等离子烧结(SPS)制备氧化石墨烯/2024Al复合材料的微观组织和性能影响

以氧化石墨烯(Graphene Oxide)和2024Al粉末为原料,通过静电自组装+放电等离子烧结(SPS)的工艺,制备了含不同质量分数氧化石墨烯和不同烧结温度的氧化石墨烯/2024Al复合材料,并对烧结后材料的微观形貌和力学性能进行表征和测试。结果表明:复合粉体中氧化石墨烯均匀分布,包覆在Al颗粒表面。550℃烧结温度下含0.5%、1%和2%氧化石墨烯(GO)复合材料的压缩强度先提高后降低,分别提高到428.02 MPa和540 MPa,相比于基体提高了12.5%和42%。

均相沉淀法制备Ni/Al⁃LDHs/rGO复合电极材料的电化学性能

以Ni(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、尿素以及氧化石墨烯(GO)为原料,利用简便的均相沉淀法合成了GO复合量(质量分数)分别为0、0.2%、0.5%、0.8%和1.0%的Ni/Al⁃LDHs/rGO复合电极材料。采用XRD、FT⁃IR、TGA和FESEM表征了材料的结构和表面形貌,利用循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)和充放电测试研究了Ni/Al⁃LDHs/rGO复合材料作为Ni⁃MH电池正极材料的电化学性能。结果表明,复合GO可以明显提高Ni/Al⁃LDHs的电化学性能,其中GO复合量为0.8%的Ni/Al⁃LDHs/rGO样品表现出最为优异的综合电化学性能,例如在2000 mA/g电流密度下,其放电比容量(288 mA·h/g)比未复合GO的Ni/Al⁃LDH样品放电比容量(205 mA·h/g)高出40.5%。

石墨烯增强层对石墨烯/Al复合材料不同压缩阶段的强化影响

利用分子动力学(MD)方法探究了石墨烯纳米片(GNs)层数和每层片数对GNs/Al复合材料不同压缩阶段力学增强效果的影响。结果发现:GNs层和片数越多,复合材料弹性模量、屈服强度和最大应力强度的增强效果越显著,且增强层由3片及以上GNs构成时,压缩曲线会出现双最大应力峰值。压缩后期,GNs的断裂造成复合材料的各向异性,使复合材料在GNs锯齿形方向上的横向变形大于扶手椅方向。与MD结果对比分析发现,当金属层厚不足3 nm时,限制层滑模型不再适用。

Ni_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)C_2O_4@石墨烯复合材料的合成及电化学性能研究

过渡金属复合物/石墨烯复合材料因其具有优异的电化学性能而被广泛应用在锂离子电池中。本文以硫酸镍、硫酸钴、硫酸铝、草酸为原料按一定的物质的量比配制成溶液,在120℃下水热反应12h,得到多元过渡金属复合草酸盐前驱体Ni_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)C_2O_4(NCA-C_2O_4);该前驱体经聚烯丙基胺盐酸盐修饰后,与氧化石墨烯进行复合并还原得到石墨烯包覆的多元过渡金属复合草酸盐/石墨烯负极材料Ni_(0.8)Co(_0.15)Al_(0.05)C_2O_4@Graphene(NCA-C_2O_4@G)。对材料的结构、形貌和电化学性质进行了表征。扫描电镜测试结果显示样品粒度均一,具有两端不规则长方体形貌。电化学性能测试结果表明,NCA-C_2O_4@G充放电容量高于前驱体NCA-C_2O_4;0.1C电流密度(1C=1000m Ah/g)下,NCA-C_2O4@G首次放电比容量高达1956m Ah/g;经过0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 C高倍率循环后,当测试电流密度恢复至100m A/g时,NCA-C_2O_4@G复合材料比容量可迅速回升至720m Ah/g,并在随后50次循环中比容量保持稳定,显示出良好的循环稳定性和倍率性能。

粉末冶金法制备石墨烯/2024Al复合材料的组织及性能研究

本文以石墨烯纳米片和2024Al合金粉末为原材料,利用冷等静压+真空烧结+热挤压的方法制备了不同质量分数的石墨烯/2024Al复合材料,通过对复合材料进行SEM表征、能谱分析以及力学性能测试,研究了不同质量分数石墨烯/2024Al复合材料微观组织和宏观性能。结果表明:经过冷等静压+烧结后的石墨烯/2024Al复合材料中石墨烯呈现随机分布,此时致密度较低。通过热挤压后,能够使石墨烯呈定向排列,且显著提高复合材料的致密度。0.5%和1%挤压态石墨烯/2024Al复合材料的抗拉强度可分别达到290.6 MPa和321.1 MPa,相比基体分别提高了48.8%和64.4%,表明石墨烯的引入以及质量分数的增加能显著提高复合材料的抗拉强度。

增强相对镁基复合材料性能的影响分析

在AZ91D镁合金中仅添加Al_4Sr增强相,或复合添加Al_4Sr和石墨烯增强相,分析不同增强相对镁基复合材料的显微组织、耐磨损性能、耐腐蚀性能和高温力学性能的影响。结果表明,复合添合Al_4Sr和石墨烯增强相不仅明显提高材料的高温强度、耐磨损性能和耐腐蚀性能,还能改善材料的塑韧性。与未添加增强相的AZ91D镁合金相比,复合添合Al_4Sr和石墨烯增强相可使合金的150℃抗拉强度提高98.9%、屈服强度提高175.2%、断后伸长率基本不变,室温磨损体积减小85.5%,室温腐蚀电位正移198 m V。