金属材料的石墨烯强韧化

石墨烯材料以其优异的本征力学性能,被认为是新一代金属基复合材料中理想的增强体。特别是,由于调控石墨烯内禀缺陷的种类和含量可以较为简便地实现对其本征力学性能的精确"剪裁",使得石墨烯增强金属基复合材料具有广阔的发展空间。综述了近年来石墨烯增强金属基复合材料制备工艺与结构-性能关系的研究进展,并聚焦于石墨烯/金属之间界面的结构与性能。这不仅是因为在复合材料使役时,外加载荷是通过复合界面传递到石墨烯增强体的(即"承载效应"),也因为随着石墨烯的加入,在复合材料变形过程中石墨烯和金属基体内的位错发生复杂的相互作用,改变或影响了基体的变形机制,导致了额外的强韧化效果。最后,展望了石墨烯增强金属基复合材料的发展趋势,指出需要发展可放大的制备工艺,并深入研究实际使役条件下复合材料的力学行为和性能响应机制。     

碳化硅颗粒化学镀镍对铁基复合材料性能的影响EI北大核心CSCD

采用化学镀方法对SiC粒子表面镀镍,研究了镀镍对SiCp/Fe复合材料力学性能的影响。结果表明:镍盐量与还原剂量为1:3、温度为93-95℃时,镍盐可以近100%镀在SiC粒子表面,控制镍盐加入量可控制镀层的厚度.SiC表面镀镍的粒度为45μm、体积分数为10%的复合材料,其抗拉强度最大提高22.9%。SiC表面镀镍的SiC粒度为21μm、体积分数为15%时,复合材料的延伸率提高近30%.     

石墨烯增强相对镍基复合镀层的强化作用及镀层制备

为促进石墨烯基复合材料的制备和应用,利用电沉积的方法在碳素钢基体表面分别制备了石墨烯/镍复合镀层及纯镍镀层,利用扫描电镜（SEM）对镀层的形貌进行了观察分析,利用X射线衍射仪（XRD）对镀层的物相进行了分析,利用硬度测试仪对镀层进行了力学性能的评价。研究表明：在相同的制备条件下,对于石墨烯/镍复合镀层,石墨烯的引入使镍基晶粒细化,且由于石墨烯导电性能比镍好,在电沉积过程中,镍离子优先在石墨烯片上沉积形成包状凸起;而未添加石墨烯的纯镍镀层在沉积过程形成的是较为光滑平整的纯镍镀层,晶粒较大。XRD检测结果显示,整个电沉积过程无相变发生,石墨烯的引入使得沉积镍的晶粒细小,组织更致密。Raman检测结果显示沉积电流越小,沉积的石墨烯的2D峰与G峰的强度比值越大,分散效果越好。添加石墨烯的镍镀层硬度明显高于未添加石墨烯的镀层,最高硬度可达约530 HV_{4.9 N}。以上结果表明：利用电沉积技术将石墨烯作为第二相引入到金属基体中,是一种有效制备高性能石墨烯/金属复合材料的方法。     

镍涂层短碳纤维增强AZ91D镁基复合材料的界面特征和阻尼性能

使用表面化学镀镍的短碳纤维为增强体、AZ91D粉为基体金属,用粉末冶金法和热挤压工艺制备镁基复合材料,用SEM、TEM-EDS、拉伸和动态热机械分析(DMA)等手段表征其微观形貌、界面结构、力学性能和阻尼性能,研究了金属镍涂层短碳纤维对AZ91D镁基复合材料的界面和阻尼性能的影响。结果表明,碳纤维在复合材料中分布均匀,沿着挤压方向定向排列;镍涂层改善了碳纤维与AZ91D基体之间的润湿性;不同频率的应变谱和G-L特征线都表明:复合材料的阻尼机制,除了位错之外还有其他机制;随着应变频率的提高复合材料的阻尼机制由以界面滑移为主转变为以位错为主。随着温度的升高涂层碳纤维增强镁基复合材料的阻尼容量增大,在250~300℃出现一个阻尼峰。随着频率的提高阻尼峰值的温度移向高温,表现出热激活弛豫过程的特征,根据Arrhenius公式计算出其热激活能(H)为3.448 e V。     

片层状TiAl-Nb合金中γ/γ界面体系拉伸行为的原子模拟

全片层组织结构的TiAl基合金在发生塑性变形时，因具有多个可阻碍位错迁移的界面，增加了位错迁移所需要的应变能，从而使变形能力和强度强烈依赖于这种显微组织中的层状界面。本工作采用分子动力学方法研究了单轴拉伸载荷下具有γ/γ界面的TiAl-Nb合金的变形行为。从原子尺度上讨论了真孪晶(True-twin, TT)、旋转界面(Rotational boundary, RB)、伪孪晶(Pseudo-twin, PT)三种不同界面下，片层状TiAl-Nb合金的力学响应、位错演化和断裂机制；阐述了材料力学响应与微观缺陷演化之间的关系，表明含不同界面的TiAl-Nb合金力学性能具有显著的层状边界效应。通过观察位错与界面的交互作用发现位错与界面相遇后，三个界面及附近都会产生无序原子区；而RB/PT试样中无序原子区作为位错源会向另一片层发射位错，TT试样中的无序原子区不会作为位错源向另一片层发射位错。     

原位自生(TiB+TiC)/Ti-1100复合材料的高温力学性能及强化机制

利用常规钛合金的真空自耗熔炼以及热加工技术,制备了原位自生(TiB+TiC)/Ti-1100复合材料。对该复合材料的微观结构进行研究,并分别在高温环境下测试了基体合金以及复合材料的高温拉伸性能,最后对其强化机制进行研究。结果表明:钛基复合材料的屈服强度可以用数学模型来计算。增强体的加入使复合材料的高温力学性能明显优于基体合金,且其高温强度的提高主要受益于碳的固溶强化、TiB纤维的传递载荷、TiC颗粒的强化位错等因素的贡献。     

钛-不锈钢扩散焊接界面研究

由于钛与不锈钢之间热膨胀系数不同,采用传统熔焊方法生产的钛-不锈钢复合材料界面处的成分、力学性能和结构不均匀.研究表明,直接将两种材料复合,界面处会形成Fe-Ti及Fe-Cr-Ti基金属间化合物,复合材料的力学性能降低.添加中间层可改善复合材料的界面状况.对于高温下使用的复合材料,镍比铜作中间层更好.     

SiC/Cu层状复合材料的力学性能研究

采用磁控溅射技术制备了SiC/Cu层状复合材料,研究了Cu层厚度对SiC/Cu层状复合材料力学性能的影响。结果表明,保持SiC层厚度为0.5μm不变,层状复合材料的断裂能和极限拉伸强度随Cu层厚度的增大先增加后降低,在Cu层厚度为8μm时出现峰值,断裂能和极限拉伸强度分别为2080.3MJ/m~3和565MPa。分析认为,在拉伸过程中金属Cu层发生塑性变形和Cu层拔出是SiC/Cu层状复合材料力学性能增强的主要原因。     

粉体石墨烯对铝基复合材料微观结构和性能的影响（英文）

采用机械合金化与电场压力激活辅助烧结工艺相结合的方式,分别制备纯Al和GNPs/Al复合材料,探究粉体石墨烯对铝基复合材料微观结构和性能的影响。结果表明:通过优化烧结工艺有效地抑制化合物Al_4C_3在GNPs/Al复合材料中的形成,提高石墨烯与Al基体的界面结合强度。石墨烯添加量为0.5wt.%时,在Al基体晶界处能够均匀的分散,由于石墨烯与Al基体有良好的界面润湿性,促进声子在基体材料中的移动,降低材料的界面热阻,在GNPs/Al复合材料表面形成导电网络,提高电子的迁移率和平均自由程,使GNPs/Al复合材料的热导率和电导率分别提升7.1%和4%;添加石墨烯能改变Al基体材料的晶体结构,在石墨烯周围形成晶格畸变的应力场,该应力场与位错应力场产生交互作用,使位错运动受阻,GNPs/Al复合材料的强度和硬度分别提升30.6%和44%;石墨烯能降低基体材料界面电容的介电损耗,在Al基体材料表面形成致密平整的膜层,提高GNPs/Al复合材料的电荷传递电阻,降低材料表面在电化学腐蚀过程中的弥散效应,使GNPs/Al复合材料耐腐蚀性能提高31%。石墨烯含量超过0.5 wt.%时,团聚在基体晶界的石墨烯,降低复合材料的界面结合强度,使GNPs/Al复合材料导带中的能带宽度变窄,电子的局域性增强,导致GNPs/Al复合材料的性能下降。综上所述,粉体石墨烯的最佳添加量为0.5wt.%。     

石墨烯/铜复合材料剪切性能的分子动力学模拟

采用分子动力学方法系统地研究了石墨烯/铜复合材料的剪切力学性能,包括剪切弹性模量、剪切屈服强度、剪切破坏强度及剪切变形机制。研究发现,与单晶铜的剪切模拟相比较,石墨烯的加入显著增强了石墨烯/铜复合材料的剪切强度,并且剪切强度随着石墨烯体积分数的增大而提高。复合材料中的石墨烯层与铜层产生了协同作用,即石墨烯层阻碍了铜的位错扩展,铜层限制了石墨烯的结构屈曲。对含球形缺陷的石墨烯/铜复合材料的剪切性能也进行了研究。结果表明,不同位置和数量的球形小缺陷对复合材料的剪切性能影响不大,小缺陷石墨烯/铜复合材料仍具有较好的性能和使用价值。但随着缺陷直径的增大,复合材料的剪切强度明显减小。     

Deformation behavior of aluminum alloy matrix composites reinforced with few-layer graphene

Microstructure and mechanical properties of aluminum alloy 2024 (Al2024)/few-layer graphene (FLG) composites produced by ball milling and hot rolling have been investigated. The presence of dispersed FLGs with high specific surface area significantly increases the strength of the composites. The composite containing 0.7 vol.% FLGs exhibits tensile strength of 700 MPa, two times higher than that of monolithic Al2024, and around 4% elongation to failure. During plastic deformation, restricted dislocation activities and the accumulated dislocation at between FLGs may contribute to strengthening of Al2024/FLG composites.     

Atomistic modeling of plastic deformation in B2-FeAl/Al nanolayered composites

In this work, the deformation response of the B2-FeAl/Al intermetallic composites, as a model material system for nanolayered composites comprised of intermetallic interfaces, has been explored. We use atomistic simulations to study the deformation mechanisms and the interface misfit dislocation structure of B2-FeAl/Al nanolayered composites. It is shown that two sets of dislocations are contained in the interface misfit dislocation network and are correlated with the initial dislocation nucleation from the interfaces. The effects of layer thickness on the uniaxial deformation response of the B2-FeAl/Al multilayers are investigated. We observed that under compressive loading the smaller proportion of the FeAl layers leads to the lower overall flow stress. Under tensile loading, the void formation mechanism is investigated, suggesting the interface structure and the dislocation activities in the FeAl layers playing a significant role to trigger the strain localization which leads to void nucleation commencing at the interface. It is also found that the deformation behavior in the “weak” Fe/Cu interface behaves substantially different than that of the “strong” FeAl/Al interface. The atomistic modeling study of the nanolayered composites here underpinned the mechanical response of “strong” intermetallic interface material systems. There is no void nucleation during the entire plastic deformations in the Fe/Cu simulations, which is attributed to much higher dislocation density, more slip systems activated, and relative uniformly distributed dislocation traces in the Fe phase of the Fe/Cu multilayers.

     

退火石墨/铝复合材料热物理性能

随着电子器件热流密度的不断增加,热聚集产生的热点问题严重影响电子器件性能和应用,急需开发高效热扩散材料。采用真空热压烧结工艺制备了以6061铝合金为基体材料,退火石墨(Annealed pyrolytic graphite,APG)为导热组元的高导热复合材料。探究了退火石墨表面Ti元素的改性处理对退火石墨/铝复合材料的微观结构、界面结合状况的影响规律,研究讨论了退火石墨/铝层厚比对复合材料整体热、力性能的影响。结果表明,经Ti元素改性处理的退火石墨材料与铝之间形成了干净、紧密结合厚度在400 nm的Al-Ti-C界面。当Al∶APG∶Al的层厚比为1∶3∶1时,复合材料面内方向热扩散系数达901 mm²·s^-1,所承载最大抗弯强度为141 MPa,具有优异的综合性能。     

高压扭转对SiC_P/Al复合材料微观组织和力学性能的影响

为研究大塑性变形对金属基复合材料微观组织和力学性能的影响,利用高压扭转工艺(HPT)在200℃下将纯Al粉末和经氧化处理的SiC粉末混合固结成10wt%SiC_P/Al复合材料。采用TEM观察HPT变形后不同圈数试样的SiC-Al界面及Al基体微观组织,采用EDS能谱仪分析界面处原子扩散现象,采用万能拉伸试验机测试研究不同扭转圈数试样的力学性能。结果表明:不同圈数试样Al基体内出现大量位错、非平衡晶界等晶格缺陷;组织内存在两种SiC-Al界面,含SiO_2层的原始界面和因颗粒破碎而新生成的界面。两种界面结合良好,界面处元素相互扩散;随着扭转圈数的增加,10wt%SiC_P/Al复合材料抗拉强度增加,延伸率得到较大提高。分析发现高压扭转后不同圈数组织内产生的大量晶格缺陷和细小晶粒,促进界面处元素的相互扩散,使界面结合良好,同时大量晶格缺陷和细小晶粒的产生以及结合良好的SiC-Al界面是SiC_P/Al复合材料力学性能大幅提升的主要原因。     

Microstructure and mechanical behavior of Mg-5Zn matrix influenced by particle deformation zone

The effect of particle deformation zone(PDZ) on the microstructure and mechanical properties of SiC_p/Mg-5Zn composites was studied.Meanwhile,the work hardening and so ftening behavior of SiC_p/Mg-5Zn composites influenced by PDZ size were analyzed and discussed using neutron diffraction under in-situ tensile deformation.The evolution of FWHM(full width at half maximum) extracted from the diffraction pattern of SiC_p/Mg-5Zn composites was used to interpret the modification of dislocation density during in-situ tension,which discovered the effect of dislocation on the work hardening behavior of SiC_p/Mg-5Zn composites.In addition,the tensile stress reduction(△P_i) values during in-situ tension test were calculated to analyze the effect of PDZ size on the softening behavior of SiC_p/Mg-5Zn composites.The results show that the work hardening rate of SiC_p/Mg-5Zn composites increased with the enlargement of PDZ size,which was attributed to the grain size of SiC_p/Mg-5Zn composites increased with the enlargement of PDZ size.Moreover,the stress reduction(△P_i) values increased continuously during in-situ tensile for SiC_p/Mg-5Zn composites due to the increased stored energy produced during plastic deformation,which provided a driving force for the softening effect.However,the effect of grain size on the softening behavior is greater than that of the stored energy,which led to the tensile stress reduction(△P_i) values of P30(d_PDZ=30 μm)-SiC_p/Mg-5Zn composite were higher than that of P60(d_PDZ=60 μm)-SiC_p/Mg-5Zn composite when the ε_ri were 0.25,0.5,0.75 and 1,respectively.     

化学镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料电磁屏蔽性能

采用化学镀方法对碳纤维进行表面镀镍, 采用SEM、 EDX、 XRD分析了镀镍碳纤维的微观形貌、 镀层成分和镀层结构, 通过电阻测试研究了镀镍碳纤维的导电性。将体积分数为2.5%、 5%、 7.5%、 10%的镀镍碳纤维作为导电填料制备镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料, 并用屏蔽室法测试了不同频段复合材料的屏蔽效能。结果表明: 碳纤维化学镀镍后, 表面形成了一层均匀的复合镀层, 镀层中镍的质量分数高达94%, 镀镍碳纤维的电阻值仅为碳纤维原丝的1/54。镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽能力较碳纤维原丝有所提高。复合材料的屏蔽效能随镀镍碳纤维添加量的增加而升高。在低频频段(kHz频段), 复合材料的屏蔽能力主要决定于材料的本征参数, 不同镀镍碳纤维含量的镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的屏蔽能力相差不大; 在中高频频段(MHz、 GHz频段), 镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料屏蔽效能主要决定于材料的电阻率。     

热轧高含量B4C颗粒增强Al基复合材料的成形性能

高含量B₄C (B₄C≥30wt%)颗粒增强Al基(B₄C_P/Al)复合材料具有优异的结构和功能特性,尤其是具有优异的中子吸收性能,在核防护领域被用做屏蔽材料使用。但由于高含量B₄C颗粒的加入,使B₄C_P/Al复合材料变形困难。采用ABAQUS数值模拟方法对不同变形量下B₄C_P/Al复合材料的热轧过程进行数值模拟分析,在480℃温度下对热压烧结的B₄C_P/Al复合材料坯料进行轧制,并对其微观组织和力学性能进行分析。数值模拟结果表明,热轧变形量达到60%以上时,B₄C_P/Al复合材料板材表面中间区域应力较小,侧面应力较大,在板材边缘容易产生残余应力。研究结果表明,随轧制下压量的增加,B₄C_P/Al复合材料中B₄C颗粒分布明显均匀,位错密度增加。当轧制变形量达到70%时,B₄C_P/Al复合材料的屈服强度提高至249.46 MPa,极限抗拉强度提高至299.56 MPa。在拉伸过程中,B₄C颗粒优先断裂,但并未与基体界面脱黏,B₄C颗粒承受了主要载荷,Al基体发生塑性流动,从而提高了B₄C_P/Al复合材料的强度。      

界面相对3D-SiC/SiC复合材料静态力学性能及内耗特征的影响

采用先驱体浸渍裂解工艺制备无界面、SiC、PyC和PyC/SiC等界面相SiC/SiC复合材料, 研究了SiC/SiC复合材料的微观结构及静态力学性能, 并通过强迫振动法系统分析了界面相对复合材料内耗行为的影响。研究结果表明, 引入界面相有效改善了复合材料的微观结构及力学性能, 并降低了复合材料的内耗。其中, PyC/SiC复相界面中亚层SiC限制了PyC界面相与纤维的结合及塑性形变, 提高了复合材料的力学性能; 同时, 界面相对SiC/SiC复合材料内耗行为有显著影响, 材料内耗水平与界面剪切强度成反比。对比50和350 ℃时的材料内耗变化率发现, 随界面剪切强度增大, 材料内耗呈降低的趋势, 且含有PyC的PyC/SiC界面复合材料具有较低的内耗变化率, 说明PyC/SiC复相界面的SiC/SiC复合材料更适于高温振动环境。     

氧化石墨烯对600℃高温钛合金微观组织和力学性能的影响

采用控温搅拌混合和热等静压等方法,制备添加氧化石墨烯的600℃高温钛合金复合材料。通过金相观察、能谱和物相分析以及拉伸性能实验,研究复合材料的微观组织和力学性能。结果表明:氧化石墨烯添加量为0.3%(质量分数,下同)时,在600℃高温钛合金粉末中分布比较均匀,二者之间的作用方式主要为物理吸附;与未添加氧化石墨烯的合金相比,添加0.3%氧化石墨烯的复合材料的显微组织得到明显细化,α相的平均尺寸下降约36%,室温抗拉强度和屈服强度分别提高7.8%和10.4%,硬度提高25.6%。氧化石墨烯对600℃高温钛合金的强化机理主要为细晶强化、位错强化以及促进(TiZr) 6Si 3颗粒析出引起的第二相强化。     

Microscopic failure mechanisms of fiber-reinforced polymer composites under transverse tension and compression

The mechanical behavior of unidirectional fiber-reinforced polymer composites subjected to tension and compression perpendicular to the fibers is studied using computational micromechanics. The representative volume element of the composite microstructure with random fiber distribution is generated, and the two dominant damage mechanisms experimentally observed – matrix plastic deformation and interfacial debonding – are included in the simulation by the extended Drucker–Prager model and cohesive zone model respectively. Progressive failure procedure for both the matrix and interface is incorporated in the simulation, and ductile criterion is used to predict the damage initiation of the matrix taking into account its sensitivity to triaxial stress state. The simulation results clearly reveal the damage process of the composites and the interactions of different damage mechanisms. It can be concluded that the tension fracture initiates as interfacial debonding and evolves as a result of interactions between interfacial debonding and matrix plastic deformation, while the compression failure is dominated by matrix plastic damage. And then the effects of interfacial properties on the damage behavior of the composites are assessed. It is found that the interfacial stiffness and fracture energy have relatively smaller influence on the mechanical behavior of composites, while the influence of interfacial strength is significant.