原位石墨烯包覆对SiC颗粒增强铝基复合材料界面及力学性能影响研究

The problems of the complex interfacial reactions and insufficient fracture toughness of SiC particle reinforced aluminium matrix composites restrict their application in industrial fields such as aviation, aerospace and civil industry. In situ graphene layers coating on the surface of SiC particles by the method of pyrolysis of SiC，is expected to help to solve the above problems. Therefore, This project will carry out the study of in situ graphene-coated SiC particles reinforced aluminum matrix composite materials. Preparing the in situ graphene-coated SiC particles reinforced aluminum matrix composites. Revealing the interface reaction mechanism and the thermodynamics and kinetics evolution law of the interface area. Controling the interface bonding strength. Testing their mechanical properties and exploring the reinforcing mechanisms of in situ graphene-coated SiC particles. It will provide scientific supports for the design and preparation of high performance lightweight metal matrix composites.

碳化硅颗粒增强铝基复合材料面临的界面反应复杂、断裂韧性不足等问题严重制约了其在航空、航天及民用工业领域的应用。通过热解SiC的方法在SiC颗粒表面原位包覆上高强韧的石墨烯片层，有望改善SiC颗粒与铝基体的界面反应并提高材料强度及韧性。因此，本项目拟开展原位石墨烯包覆SiC复合颗粒增强铝基复合材料研究。制备出新型颗粒增强体——原位石墨烯包覆SiC复合颗粒增强的铝基复合材料；揭示原位石墨烯包覆SiC复合颗粒与铝基体的界面反应机理及界面区的热力学与动力学演变规律，控制界面结合强度；论证原位石墨烯包覆SiC复合颗粒对铝基体的强韧化效果并探究强韧化机理；为高性能轻质金属基复合材料设计与制备奠定理论与技术基础。

石墨烯/SiC增强金属基复合材料具有质轻高强、导热性好等诸多优异性能，在航空、航天以及民用领域应用前景广阔。石墨烯在金属基体中的分散均匀性及结合界面强度是决定石墨烯增强金属基复合材料性能最为关键的两个因素。本项目创新金属基复合材料增强相种类，采用新型颗粒增强体—原位石墨烯包覆SiC复合颗粒增强铝基体，揭示原位石墨烯包覆SiC复合颗粒与铝基体的界面反应机理、界面组织与界面结构，控制界面结合强度，评价原位石墨烯包覆SiC复合颗粒对铝基体的强韧化效果并探究强韧化机理。研究结果表明：（1）通过热解SiC的方法可以在SiC颗粒表面制备得到一定层数的石墨烯片层，随着热解时间的延长，石墨烯片层的厚度有所增加。（2）石墨烯包覆有利于SiC颗粒在铝基体重的均匀分散和复合材料致密度的提高。（3）石墨烯可起到阻隔碳化硅颗粒与铝基体间的界面反应的作用，有利于实现适度的界面反应，避免脆性相的过度产生。（4）石墨烯/SiC复合颗粒增强铝基复合材料的屈服强度、抗拉强度、塑性和硬度均优于SiC增强铝基复合材料。当石墨烯/SiC复合颗粒的直径为0.5μm，质量分数为20%时，石墨烯/SiC复合颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度可达462.76MPa，延伸率为1.47%。以上，采用原位合成的石墨烯/SiC复合颗粒制备颗粒增强金属基复合材料，有利于石墨烯在金属基体中的均匀分散，有利于形成结合性能更好的复合材料界面，可大幅提高复合材料的综合性能。