石墨烯增强金属基复合材料的研究进展

石墨烯由于独特的结构和优异的性能已成为金属基复合材料中最具吸引力的碳质材料增强体。综述了近年来石墨烯增强金属基复合材料的研究进展、强化机制及石墨烯表面改性进展,分析了石墨烯增强金属基复合材料研究存在的问题,并对石墨烯增强金属基复合材料的研究方向及发展趋势进行了展望。     

石墨烯增强金属基航空复合材料研究进展

本文综述了石墨烯增强金属基航空复合材料的研究现状,归纳了该种复合材料的制备方法,讨论了石墨烯对其性能的影响及机制。指出目前高含量、排列石墨烯增强金属基航空复合材料的研究还比较缺乏,涉及的工艺参数、组织结构、界面化学及高温物理性能等相关问题仍需进一步研究,并提出未来的研究重点应由制备方法等工艺性探讨向微观复合构型设计的思路转变。     

石墨烯增强金属基复合材料界面研究进展

金属基复合材料是由高强度增强相与金属基体组成,因具备优良的综合性能,在各领域内展现出广阔的应用潜力。与常规增强相不同,石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角呈蜂巢状晶格的二维碳纳米材料,因其独特的结构而具有优异的电学、力学、热学和光学等特性。石墨烯增强金属基复合材料已经成为先进复合材料领域的研究热点,而对于金属基复合材料,其综合性能与界面的结构和性质关联密切。从近年来石墨烯增强金属基复合材料界面微观组织及理论研究出发,对常见石墨烯增强金属基复合材料体系的界面结构及力学性能进行总结,同时总结计算机模拟手段在分析界面结构、界面结合强度以及界面微观断裂机制等方面的进展,为设计和优化金属基复合材料界面提供理论依据。     

石墨烯热学性能非简谐效应的研究进展

石墨烯性能优异,应用前景广阔,是当今国际科技研究前沿之一。目前已有不少文献对石墨烯进行了研究,但对其热力学性质的研究还不深入和系统,尤其是对其非简谐特征的研究很少。深入和系统地研究石墨烯热力学性能的非简谐效应,确定它的热膨胀和热容量以及热导率随温度的变化规律,是目前的首要任务。石墨烯的热膨胀、蓄热和导热性是非简谐效应最明显的性能,在超薄型高蓄热材料及可调节热管理系统等中有广泛应用。如何从实验和理论方面来确定这些性能随温度的变化规律,目前尚未得到解决。从理论上确定石墨烯热膨胀系数、热容量以及热导率随温度的变化规律并探讨出其非简谐效应,是当今研究的焦点。本文提出了研究固体材料性质变化规律的非简谐效应理论方法,即通过严密的数学推导和数理论证来确定材料性质随温度的变化规律。为了确定石墨烯热膨胀系数、热容量以及热导率随温度的变化规律,需建立合理的物理模型,确定石墨烯的特性函数自由能。本文在石墨烯热膨胀、热容量和热导率的研究基础上,用固体物理理论,得到石墨烯低温热膨胀系数和热容量以及热导率随温度变化规律的解析式,计算并分析这些热力学量随温度变化的特点,探讨了原子非简谐振动对它们的影响,并与实验和其他文献的研究结果相比较。结果表明:石墨烯有低温负热膨胀现象,具有超高热传导性和大热容量蓄热、传热性能;温度愈高,非简谐效应愈突出;通过建立合理的物理模型并确定材料的特性函数自由能,可以较简便地探讨材料热力学性质随温度的变化规律和非简谐效应,其结果接近于实验结果。本文综述了非简谐效应理论在研究石墨烯热膨胀和热容量以及热传导性能上的研究现状和笔者近期的研究成果,并对石墨烯后期的发展方向作出预测。在简述非简谐效应理论研究方法的基础上,论述了石墨烯的物理模型和自由能,并应用非简谐效应理论研究方法,对石墨烯低温负热膨胀、热容量和热导率随温度的变化规律进行了深入研究。最后对石墨烯热学性能非简谐效应的研究进行了展望,指出了五个待改进之处,为石墨烯材料的理论研究和应用提供有益的参考。     

金属基复合材料的内源性效应

复合化是实现金属材料高性能化、多功能化的有效途径。通过在金属基体中引入高性能增强相形成金属基复合材料,可显著提升基体本征性能,实现传统金属材料无法比拟的高比强度、高比刚度、低膨胀等优异力学与功能特性。然而,受限于其工程化材料属性以及常规复合效应,金属基复合材料的进一步发展面临巨大挑战。突破传统复合性能上限需要发展复合新理念与新途径,在此提出“金属基复合材料的内源性效应”设计新原理,目的是通过复合组分之间的强相互影响,获得超越线性叠加的非常规复合效应。从金属基复合材料力学性能与功能特性2个方面出发,以典型研究结果为例综述了内源性复合实现金属基复合材料超优性能的基本途径及其关键作用,最后进行了总结与展望,为新型高性能金属基复合材料的设计和创制提供新思路。     

选区激光熔化石墨烯增强金属基复合材料研究进展

石墨烯拥有不同于传统材料的特殊性能,如优异的结构力学性能以及导热性能,自被发现以来即获得广泛的关注,其中一个重要应用是作为增强相来增强金属基材料,从而获得高性能的结构和功能复合材料。近年来为了满足复合材料性能优化及结构精密复杂的需求,对其制造方法提出了更高的要求。选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)作为增材制造技术的一种,避免了传统制造技术成本高、周期长、精度低等问题,可更加灵活地实现功能-结构-材料一体化。本文总结了SLM制备石墨烯及其增强金属基(铝、镍、钛、铁、铜)复合材料的应用研究与发展现状,讨论了石墨烯增强金属基复合材料所面临的主要问题,并展望了石墨烯增强金属基复合材料的应用与发展前景。     

石墨烯外延生长及其器件应用研究进展

石墨烯具有优异的物理和电学性能, 已成为物理和半导体电子研究领域的国际前沿和热点之一. 本文简单介绍了石墨烯的物理及电学特性, 详细评述了在众多制备方法中最有希望实现石墨烯大面积、高质量的外延生长技术, 系统论述了不同SiC和金属衬底外延生长石墨烯的研究进展, 并简要概述了石墨烯在场效应晶体管、发光二极管、超级电容器及锂离子电池等光电器件方面的最新研究进展. 外延生长法已经初步实现了从纳米、微米、厘米量级石墨烯的成功制备, 同时可实现其厚度从单层、双层到少数层的调控, 有望成为高质量、与传统电子工艺兼容、低成本、大面积的石墨烯宏量制备技术, 为其器件应用奠定基础.     

石墨烯增强金属基复合材料的制备方法研究进展

石墨烯因其独特的电学、力学和热学等性能,作为强化相在制备轻质、高强度、强韧性的优异合金材料方面越来越受到关注.简单介绍了石墨烯制备方法和性质,综述了石墨烯增强金属基复合材料的制备方法、性能及强化机制,并对影响复合材料结构性质的因素进行了分析,同时展望了今后金属基石墨烯复合材料的研究方向及发展趋势.     

金属基石墨烯复合材料的合成机理及工艺方法

石墨烯具有良好的力学性能、导电导热和耐腐蚀性能,大部分纯金属只有在某些方面有着单一的良好性能,而不具备多维度的优良材料性能,金属基复合材料可以弥补纯金属在单一方面性能的不足,具有比单一基体更优异的性能;石墨烯/金属基复合材料(Gr-MMC)在航空航天、汽车、电子和军事领域有着广泛的应用。详细介绍了微观层面金属基表面沉积石墨烯的机理,在不同的金属表面石墨烯会表现出不同的行为,其中铜、钌、铱、镍是比较有代表性的几种金属,通过研究在不同金属上的沉积机理能够更好地从微观层面指导金属基复合材料的制备;金属基石墨烯复合材料的制备工艺针对不同的金属大致可以分为液相法、固相法和沉积处理,对于每种工艺方法的特点和不足也有所提及。     

晶须增强金属基复合材料的包辛格效应

本文利用自行改进的等效夹杂理论研究了晶须增强金属基复合材料的包辛格效应,讨论了加载次序和晶须含量的影响.所得理论可以从数值上模拟材料的包辛格效应.     

非连续增强金属基复合材料界面微结构研究

非连续增强金属基复合材料是金属基复合材料中最有工业应用前景的新材料,其中界面微结构是决定复合材料性能的关键。着重研究了SiCp原始态和氧化处理态以及Al_2O_3p等增强体在挤压铸造和搅拌铸造复合条件下,与不同的铝基和锌基合金复合后的界面微观结构特征。研究结果表明,氧化后的SiCp与基体界面的SiO_2层在电子束辐照下,将由晶态转变为非晶态,从而圆满解释了以往存在的X射线分析结果与电子衍射分析结果的矛盾。研究氧化后的SiCp与铝基体复合后的界面行为发现,对于纯铝基体,SiO_2层的形成有利于界面强度的增大,并发现在SiO_2层中存在铝元素的浓度梯度,较好地解释了由于扩散结合使界面得到加强的结果,而对于Ly12基体,由于表面的SiO_2层与基体中的镁反应生成MgAl_2O_4,使基体中含镁的强化相明显减少,削弱了时效强化的效果,使复合材料强度反而降低。 对搅拌铸造法制备的Al-Mg基复合材料,分别观察了不同增强体的界面反应产物和存在的界面取向关系,并探讨了其反应机制。最后,对SiCw增强的锌基复合材料的固态反应动力学和微观结构进行了研究,观察了晶须与基体之间的结合状态。     

石墨烯纳米复合材料光热效应研究进展

石墨烯具有良好的导热性和结构稳定性等优点,在光热转化材料的研究中显示出极大的优势,将其与光吸收系数高的纳米材料结合,从而增强材料的光热转化效率。本研究阐述了几种新型的光热转化材料的研究进展,分析了各种材料在实际应用方面的优缺点,讨论了光热转化材料的应用以及开发前景。     

外延生长碳化硅-石墨烯薄膜的制备及表征研究

石墨烯作为一种碳原子所组成的二维蜂窝状结构晶体,具有诸多优异的特性,从而倍受全世界科学工作者的关注。在碳化硅衬底上外延生长石墨烯是实现石墨烯在微电子领域中应用的最有效途径之一。利用感应加热的高温CVD设备,先在4H-Si C衬底上外延生长一层2~10μm厚的碳化硅,然后直接再在外延碳化硅上原位外延生长石墨烯。实现外延碳化硅-石墨烯的连续生长,从而减少氢气刻蚀带来的晶格缺陷和表面硅富集严重削减现象,并使低成本制备碳化硅上的石墨烯成为可能。通过拉曼光谱、扫描电子显微镜及X射线光电子能谱等表征,验证了该方法生长的石墨烯具有较好的晶体质量。     

非连续增强金属基复合材料剧烈塑性变形行为研究进展

综述了非连续增强金属基复合材料剧烈塑性变形(SPD)行为的研究进展,系统阐述了等径弯曲通道变形(ECAP)、高压扭转(HPT)、多向锻造(MF)、累积叠轧(ARB)和循环挤压压缩(CEC)5种SPD的加工原理和方法。集中介绍了这些方法在铝基、镁基、铜基和钛基等金属基复合材料方面应用的研究进展。重点介绍了金属基复合材料SPD的微观组织演化和变形力学行为,详细阐明了金属基复合材料SPD机制以及超细晶形成机理,指出了金属基复合材料在SPD中存在的深层次问题及发展趋势,展望了利用SPD方法制备超细晶非连续增强金属基复合材料的应用前景。     

非电起爆系统孔外延时爆破

在微差爆破中,通常采用电毫秒雷管,此时,爆破段数受电毫秒雷管段数的限制。由于目前国产电毫秒雷管段数不够多,使得大规模的微差爆破难以实现。为此,我们在矿山试用了塑料导爆管非电起爆系统孔外延期网路,实现了以有限段数的非电毫秒雷管达到多段微差爆破的目的。 (一)孔外延期爆破及试用非电起爆系统的孔外延期实现多段微差爆破的基本网路如图1所示。爆破孔内全装瞬发雷管或零段毫秒雷管,连接体内全装某一段毫     

Si(111)衬底上多层石墨烯薄膜的外延生长

利用固源分子束外延(SSMBE)技术, 在Si(111)衬底上沉积碳原子外延生长石墨烯薄膜, 通过反射式高能电子衍射(RHEED)、红外吸收谱(FTIR)、拉曼光谱(RAMAN)和X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)等手段对不同衬底温度(400、600、700、800℃)生长的薄膜进行结构表征. RAMAN和NEXAFS结果表明: 在800℃下制备的薄膜具有石墨烯的特征, 而 400、600和700℃生长的样品为非晶或多晶碳薄膜. RHEED和FTIR结果表明, 沉积温度在600℃以下时C原子和衬底Si原子没有成键, 而衬底温度提升到700℃以上, 沉积的C原子会先和衬底Si原子反应形成SiC缓冲层, 且在800℃沉积时缓冲层质量较好. 因此在Si衬底上制备石墨烯薄膜需要较高的衬底温度和高质量的SiC缓冲层.     

中外合作发现氧化石墨烯薄膜离子筛选效应

正从中国科学技术大学获悉,该校教授吴恒安与诺奖得主、英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆合作,发现氧化石墨烯薄膜具有精密快速筛选离子的性能。相关成果近期发表于《科学》杂志。据介绍,石墨烯表面本来是排斥水的,但浸入到水中后,石墨烯薄膜里的毛细通道却允许水的快速渗透。此次研究人员发现,     

石墨烯基非贵金属燃料电池电催化剂研究进展

燃料电池具备高能量转化效率、高能量密度、广染料来源、低环境污染等优点成为新能源材料研究领域的热点课题。作为燃料电池的核心组成部分,催化剂的性能直接决定了燃料电池的使用价值。传统的Pt/C催化剂虽然具备较高的电催化活性,但相对有限的贵金属资源、相对较高的成本和相对较差的稳定性等问题严重限制了燃料电池的广泛应用。非贵金属材料具备一定的电催化活性、较好的耐蚀性和较低的成本,迅速成为继Pt/C催化剂后的下一代电催化剂。石墨烯具备优异的导电性、巨大的比表面和良好的化学稳定性,成为催化剂的理想载体。本文介绍了近年来石墨烯基非贵金属电催化剂的研究情况,归纳总结了目前燃料电池催化剂存在的相关问题,最后对燃料电池的发展前景进行了展望。     

非循环对称力作用下离心叶轮的谐响应分析

为研究流场中离心叶轮受气流激振的受迫振动问题,利用叶盘结构的循环对称性编制计算程序,实现了使用循环对称模型进行非循环对称力作用下离心叶轮的谐响应分析。针对空间周期性的来流条件,由各扇区所受周期激励的相位差建立载荷向量,然后根据按扇区展开的叶轮各节径模态的振型数据,建立模态坐标系下的谐响应运动方程,计算得到叶轮的谐响应位移;以一半开式径向叶轮为例,进行了叶盘结构在气动力非循环对称分布情况下的谐响应分析。循环对称模型与整体模型计算的位移响应结果符合较好,两个共振点附近激振频率下的振动响应均呈现出较高的幅值,表明了算法的正确性和预测气流激励导致共振的有效性。