石墨烯/Al复合材料的显微组织和物理性能研究

铝基复合材料具有重量轻、高耐蚀性、热膨胀系数低、导电导热性能优异和加工性能优良等优点而成为当前轻金属基复合材料研究的主流,其中,石墨烯/Al复合材料是目前研究的热点方向。为了研究石墨烯含量对石墨烯/Al复合材料物理性能的影响,本文采用了冷压烧结法制备了石墨烯质量分数为0%(纯铝)、0.3%、0.6%和0.9%的石墨烯/Al复合材料,采用光学显微镜、扫描电子显微镜及其自带的能谱仪分析石墨烯/Al复合材料的微观形貌及化学成分,采用高精度固体密度仪、显微硬度计、高温DSC分析仪和激光导热系数测量仪测试分析石墨烯/Al复合材料的密度、硬度、比热容、热扩散系数和导热系数,对比分析了不同石墨烯含量对石墨烯/Al复合材料性能的影响机制。结果表明,石墨烯/Al复合材料中石墨烯均匀的分布在铝基体中,石墨烯的添加能够使基体产生明显的晶粒细化,当石墨烯含量超过0.6%时,在复合材料中出现石墨烯的团聚现象。随着石墨烯含量的增加,复合材料的密度和致密度逐渐减小,硬度值呈现先增大后减小的趋势,比热容逐渐降低,热扩散系数先增大后略微减小,导热系数缓慢上升。     

石墨烯对搅拌摩擦加工铝基复合材料性能的影响

采用结合粉末工艺的两步法搅拌摩擦加工制备石墨烯增强铝基复合材料,研究了石墨烯添加量对复合材料力学性能和导电性能的影响。结果表明,石墨烯的添加对铝基复合材料性能有明显的影响,随石墨烯添加量增加,复合材料的硬度逐渐提高、塑性持续下降,而抗拉强度和电导率均呈先增后减的趋势。石墨烯体积分数为3.7%时,复合材料的抗拉强度最高,达到146.5 MPa,与同等加工条件下的纯铝相比,提高了78.7%,而石墨烯体积分数为1.3%时,复合材料的电导率最高,达到30.62 MS/m,较同等加工条件下的纯铝基体提高了53.4%。     

石墨烯-Cu/Ti6Al4V复合材料的制备及力学性能

采用表面无敏化、无活化的化学镀铜法对石墨烯进行表面镀铜,并通过微波烧结法(烧结温度为1000℃)制备石墨烯(GNPs)/Ti6Al4V、石墨烯(GNPs)-Cu/Ti6Al4V复合材料,探讨石墨烯表面镀铜后对钛基复合材料显微组织和性能的影响。结果表明:石墨烯表面成功镀覆一层较均匀分布的铜颗粒,石墨烯与基体Ti界面反应严重,容易生成粒径为2~5μm的TiC;石墨烯表面镀铜后,界面反应产生的TiC含量增多,同时引入了Ti_2Cu相。相比于单纯外加石墨烯,石墨烯表面镀铜后,微量铜降低了烧结温度,提高了复合材料的力学性能,其致密度、显微硬度、压缩强度分别达到96.55%、534HV_(0.1)、1602MPa,室温磨损机制由基体(Ti6Al4V)的磨粒磨损转变为GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的粘着磨损。     

石墨烯及碳纳米管增强铝基复合材料微观组织与耐磨性能研究

为提高铝基材料耐磨性,采用化学镀铜、镀镍复合方法制备镍铜原子包裹石墨烯和镀碳纳米管,在Al-5Mg混合粉体中添加不同质量分数(0. 1%、0. 2%)的复合镀石墨烯,并在添加质量分数为0. 5%的复合镀石墨烯基础上,添加不同质量分数(0. 1%、0. 3%和0. 5%)的复合镀碳纳米管后,进行超声-电磁复合分散,通过真空热压烧结的方法,制备石墨烯及碳纳米管增强铝基复合材料。利用扫描电子显微镜对试样进行微观组织观察,利用能谱仪对其进行微区成分分析,采用摩擦磨损试验机测试试样摩擦系数和磨损量。研究结果表明:当添加质量分数为0. 5%的石墨烯和0. 5%的碳纳米管时,所制备的铝基复合材料基体上均匀分布着亮白的铝镍相和石墨烯及碳纳米管,局部有石墨烯及碳纳米管团聚现象,团聚的石墨烯及碳纳米管表面保留着复合镀后的镍和铜元素。铝基复合材料的摩擦系数及磨损量随着石墨烯及碳纳米管添加量的增加而明显降低,当加入质量分数为0. 5%的石墨烯和0. 5%的碳纳米管时,其摩擦系数降低至0. 14～0. 27之间。     

热压对短碳纤维增强2024复合材料组织和性能影响

采用真空热压烧结工艺制备了纤维长度为3mm、质量分数为3%的短碳纤维增强2024铝基复合材料。研究了热压工艺对复合材料密度、晶粒尺寸、界面结构和硬度的影响。结果表明,在450℃、50MPa下保温50min时,复合材料致密程度较高,纤维与α(Al)基体的界面结合良好,硬度达到最高。由于镀铜层提高了纤维与α(Al)基体的润湿性,镀铜短碳纤维比没有镀铜的短碳纤维对复合材料的性能提高更显著。     

SiCp表面化学镀铜对SiCp/Al复合材料耐蚀性的影响

通过化学镀的方法对碳化硅颗粒表面进行了镀铜改性,采用无压渗透法制备了镀铜碳化硅颗粒铝基复合材料。对碳化硅颗粒镀铜前后SiCp/Al复合材料进行动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试。结果表明:SiC颗粒化学镀铜后,颗粒完全由Cu包覆,包覆效果良好;镀铜层对SiCp/Al复合材料界面有影响,所制得的复合材料界面结合良好,镀层抑制了界面相Al_4C_3的生成,促进了界面相CuAl_2的产生;在3.5%NaCl溶液中,碳化硅颗粒镀铜前后SiCp/Al复合材料的腐蚀形式均为以点蚀为主,腐蚀过程相似,但镀铜后SiCp/Al复合材料表面更早形成钝化膜;相对于未镀铜碳化硅制得的SiCp/Al复合材料,化学镀铜后制得的SiCp/Al复合材料早期更易发生腐蚀,但在3.5%NaCl溶液中浸泡较长时间后,腐蚀速率更小。     

非晶颗粒增强纯铝基复合材料的组织与性能

采用机械合金化制备了Al70Ni17Ti13非晶粉末,在450℃下采用无压烧结-热压工艺烧结制备了铝基复合材料,研究了不同含量的非晶粉末的加入对纯铝基复合材料显微组织及力学性能的影响。结果表明:复合材料的硬度随着增强体含量的增加逐渐增加,但其抗拉强度随着增强体含量的增加呈现出先上升后下降的趋势。复合材料的显微硬度由纯铝的46 HV0.01提高到195.3 HV0.01,效果显著。当非晶粉末颗粒体积分数为10%时,抗拉强度达到最大值为196.6 MPa,相比纯铝抗拉强度性能提升了113%。当非晶粉末颗粒体积分数为15%时,复合材料的耐蚀性能最佳。     

石墨烯协同反应自生氧化铝增强铝硅基复合材料的研究

以铝、二氧化硅和石墨烯为原料,采用粉末冶金和原位反应相结合的方法制备石墨烯协同反应自生氧化铝增强Al-Si基复合材料,并对复合材料的物相、组织及性能进分析。结果表明:石墨烯及反应生成的氧化铝颗粒都较为均匀的分布在复合材料基体中起到增强作用;复合材料的致密度和硬度均在二氧化硅质量分数为25%时达到最大,分别为87.08%和77.54 HB,其硬度较未添入石墨烯的复合材料提升了10.3%.     

基于搅拌摩擦加工制备石墨烯增强铝基复合材料

为减少增强相团聚现象,利用搅拌摩擦加工方法,分别将多层石墨烯和无电镀铜石墨烯添加进6061-T651铝合金,制备铝基复合材料。通过光学显微镜、拉曼光谱仪、XRD衍射仪和硬度计,分析复合材料中增强相的分布质量、复合材料成分及硬度。结果表明:与多层石墨烯相比,无电镀铜石墨烯更容易在搅拌区中分散均匀,但出现石墨化现象;多层石墨烯和无电镀铜石墨烯均未与铝母材结合生成金属间化合物;无电镀铜石墨烯添加到铝合金中,可有效提高其硬度,硬度最大可达搅拌摩擦母材的85%,硬度波动最大仅为13 HV。     

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%。     

镀铜导电陶瓷颗粒Ti3SiC2对铜-石墨复合材料性能的影响

采用超声波化学镀覆技术在导电陶瓷颗粒表面,可获得均匀、连续的镀铜层.用粉末冶金法将镀铜Ti3SiC2与铜、石墨制备成镀铜Ti3SiC2-铜-石墨复合材料,用金相显微镜和扫描电子显微镜观察和分析了复合材料的显微组织和断口形貌,并测试了它们的电阻率、硬度和抗弯强度.结果表明:随镀铜Ti3SiC2含量的增加镀铜Ti3SiC2-铜-石墨复合材料的导电性、硬度和抗弯强度显著提高,并且各项性能明显优于不镀铜Ti3SiC2-铜-石墨复合材料.     

粉末冶金制备SiC_p增强Al基复合材料及其性能

采用粉末冶金法制备了亚微米SiC_p增强Al基复合材料,通过扫描电镜(SEM)观察复合材料的微观结构。结果表明,随着亚微米SiC_p的体积分数增加,Al基复合材料的相对密度减小,硬度和摩擦因数增大,抗拉强度先增大后减小,同时复合材料的磨损量先减小后增大。当亚微米SiC_p的体积分数为6.0%时,Al基复合材料具有最大的抗拉强度,磨损量较小。当添加少量亚微米SiC_p时,由于SiC_p本身具有较高的硬度和强度,可承受一定的载荷,对晶界的滑移具有阻碍作用,从而通过颗粒强化作用提高Al基复合材料的力学性能和磨损性能。     

石墨烯增强铜基复合材料的制备及其微观组织与性能研究

利用分子级混合法在不同溶液水热温度(40、60、80、100℃)下制备还原氧化石墨烯(RGO)/铜纳米复合材料。通过原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、拉曼(Raman)光谱、X射线衍射仪(XRD)对不同溶液反应温度下制备的复合材料粉末进行微观组织分析,并对烧结后样品进行导电导热及力学性能研究以确定制备RGO/Cu纳米复合材料相对合适的溶液反应温度。结果表明,当溶液反应温度为80℃时,铜镀层能够连续致密覆盖在RGO表面,有效阻止其团聚并获得良好的界面结合。制备出1.0%(体积分数)RGO含量的复合材料的硬度比纯铜提高了90%,抗拉强度比纯铜提升了28.8%,导电导热性能也达到最佳值(热导率350W·m-1·K-1,电导率达89%IACS)。过高的溶液反应温度不利于复合材料获得良好的物理力学性能。     

添加铝对AlNp/Cu复合材料组织与热性能的影响

为提高高体积分数AlNp/Cu复合材料的致密度,采用粉末冶金液相烧结工艺制备了含10vol%Al的AlNp/Cu复合材料,与未添加Al的AlNp/Cu复合材料以及AlN颗粒表面镀铜的AlNp/Cu复合材料进行了组织与热性能的比较.X射线衍射与显微组织观察表明,添加的Al在烧结过程中扩散至铜基体形成固溶体,并能有效的提高AlNp/Cu复合材料的致密度,添加10vol%Al的复合材料相对密度与未添加Al的AlNp/Cu复合材料相比提高了3.5%.热膨胀试验表明:50～550℃之间,40% AlNp/Cu复合材料、添加10vol%Al的40%AlNp/Cu复合材料及AlN颗粒表面镀铜的40%AlNp/Cu复合材料的平均热膨胀系数分别为15.7、13.4和13.4,热循环后的残余应变分别为0.51%、0.18%和0.24%.Al的添加及AlN颗粒表面镀铜都能有效地降低AlNp/Cu复合材料的热膨胀系数和热循环后的残余应变.与表面镀铜的AlNp/Cu复合材料相比,Al的添加在一定程度上降低了AlNp/Cu复合材料的热传导性能,但材料的制备成本显著降低.     

导电陶瓷颗粒Ti_3SiC_2含量对碳纤维-铜-石墨复合材料性能的影响

采用超声波化学镀覆技术和电镀技术分别对导电陶瓷Ti_3SiC_2颗粒表面和碳纤维表面进行镀铜处理。用粉末冶金法制备了两组成分相同的Ti_3SiC_2-碳纤维-铜-石墨复合材料,其中一组加入的是镀铜Ti_3SiC_2(A组),另一组加入的是不镀铜Ti_3SiC_2(B组),对它们的密度、电阻率、硬度和抗弯强度进行了测试。结果表明:随Ti_3SiC_2含量的增加两组复合材料的密度、导电性、硬度和抗弯强度明显提高,并且加镀铜Ti_3SiC_2的碳纤维-铜-石墨复合材料的性能指标明显优于加不镀铜Ti_3SiC_2的碳纤维-铜-石墨复合材料。     

石墨烯增强轻金属基复合材料的研究进展

石墨烯由于具有优异的综合性能(导电、导热和机械性能),被认为是制备先进金属基复合材料的理想增强相。综述了石墨烯增强轻金属基复合材料在制备工艺、力学性能及物理性能方面的研究进展,并讨论了石墨烯在金属基体中的强韧化机制,分析了石墨烯金属基复合材料在制备过程中的难题,总结了添加石墨烯对于不同轻金属基体的力学性能的改善情况,展望了今后轻金属基石墨烯复合材料的研究方向。     

石墨烯铝基复合材料的研究进展

关于石墨烯增强铝基复合材料的研究已成为当前金属基复合材料的热点课题。就目前石墨烯增强铝基复合材料的制备方法、力学性能以及导热性能等进行了简要的介绍。重点阐述了不同制备方法对该类复合材料性能的影响,并对石墨烯增强铝基复合材料的工业化应用前景作了展望。     

高熵合金增强铸造铝合金的组织与性能

采用机械合金化工艺制备了Al_(0.25)Cu_(0.75)FeCoNi高熵合金(HEA)颗粒,并采用挤压铸造工艺制备了高熵合金颗粒增强铝基复合材料(HEA/Al),研究高熵合金颗粒体积分数对复合材料显微组织及力学性能的影响。结果表明,当高熵合金颗粒体积分数为5%时,高熵合金颗粒在基体中分布均匀;随着高熵合金颗粒体积分数增加,复合材料局部出现了团聚的现象,且其硬度逐渐增大,但其抗拉强度和伸长率随着体积分数的增大而减小,其中,当高熵合金颗粒体积分数为5%时,综合性能最佳,抗拉强度相比于基体合金提高了12.5%。     

金刚石–SiC/Al复合材料的构型设计与导热性能

以SiC和镀钨金刚石增强体为原料制备预制体,通过气压浸渗技术在800 ℃,5 MPa条件下制备金刚石–SiC/Al复合材料。利用扫描电镜、红外热成像仪、激光导热仪等对复合材料性能进行分析,研究SiC和金刚石的含量与粒径比对复合材料构型的影响,从而优化复合材料导热性能。结果表明:在相同的SiC粒径下,金刚石体积分数的增加将使复合材料的导热性能明显提升。当金刚石体积分数为30%时,含F100 SiC的复合材料导热性能最佳,其热导率为344 W/(m?K)。当金刚石体积分数相同,粒径比从0.07增大到0.65时,复合材料导热性能依次提升;且在金刚石体积分数为15%时,复合材料的热导率增幅最大,从174 W/(m?K)增大到274 W/(m?K),增长了57%。通过改善金刚石–SiC/Al复合材料中增强体的含量和粒径比可以调控复合材料构型,充分发挥复合材料的导热潜力。      

SiC体积分数对铜基复合材料性能的影响

采用热压粉末冶金法引入Al和Mg元素制备SiC/Cu复合材料,研究SiC体积分数对SiC/Cu复合材料性能的影响。采用X射线衍射、阿基米德排水法、三点弯曲法和扫描电镜分析复合材料样品的物相组成、相对密度、力学性能及微观形貌,并测定其导热系数和热膨胀系数,用ROM混合定律和Turner模型预测复合材料的热膨胀系数。结果表明：试样基体中生成了AlCuMg相,强度大幅增加,且以混合型断裂为主;当SiC体积分数较低时,SiC颗粒在基体中分散较均匀。当SiC体积分数为35%时,SiC/Cu复合材料的致密度、抗弯强度、导热系数和热膨胀系数分别为98.81%、478 MPa、254.76 W/(m·K)和11.84×10^-6/K。随着SiC体积分数的增加,SiC颗粒团聚较严重,复合材料的致密度、抗弯强度、导热系数和热膨胀系数随之降低,其硬度呈先增加后降低的趋势,在SiC体积分数为45%时达到最大值110 HRB。Turner模型的预测值与复合材料实测值最为接近。