石墨烯纳米片/铝基复合材料的可控制备及强化机理研究

Graphene Nanosheet (GNS) have excellent mechanical, thermal and electrical properties. Excellent comprehensive performances are expected when a small amount of GNS are introduced into aluminum matrix. However, GNS powders are difficult to be dispersed and might have problems of structure damage and interface reaction with aluminum matrix, which restrict the fabrication of high-performance GNS reinforced aluminum matrix composites (GNS/Al). In this application, powder metallurgy route is proposed to be used. On the basis of solving technique problem of dispersing GNS, dispersing parameters will be further optimized and the adsorption mechanism will be clarified. The effect of hot-press and secondary thermal-plastic processing parameters on interface reaction, GNS structure and distribution will be investigated, and finally obtaining GNS/Al with little structure damage and good interface bonding. By investigating fine grain strengthening, dislocation configuration near GNS after quenching, load transferring behavior of interface and interaction between GNS and dislocations, the strengthening mechanism of GNS/Al will be clarified, and provide theory evidence and technique support for fabricating high-performance composites.

石墨烯纳米片具有优良的力学、热学和电学等性能，添加少量石墨烯纳米片到铝基体中即有望获得综合性能优良的铝基复合材料。但石墨烯纳米片自身难以分散，且在制备过程中可能发生与基体的界面反应和结构损伤，这些因素成为制约高性能石墨烯纳米片/铝复合材料发展的关键瓶颈，但缺乏细致的研究工作。本项目拟采用粉末冶金路线，在解决分散石墨烯纳米片难题的基础上，进一步优化分散工艺并阐明片状铝粉对石墨烯纳米片的吸附机理。系统研究热压和二次塑性加工参数对石墨烯纳米片界面反应、结构损伤以及分布取向的影响规律，制备出低损伤、界面结合良好的石墨烯纳米片/铝基复合材料。通过对细晶强化、淬火后石墨烯纳米片附近的位错组态、石墨烯纳米片的界面传载行为以及石墨烯纳米片与位错的交互作用细致的研究，阐明石墨烯纳米片/铝基复合材料的强化机理，为发展高性能复合材料提供理论依据和技术支持。

石墨烯纳米片具有优良的力学、热学和电学等性能，添加少量石墨烯纳米片到铝基体中即有望获得综合性能优良的铝基复合材料。但石墨烯纳米片自身难以分散，且在制备过程中可能发生与基体的界面反应和结构损伤，这些因素成为制约高性能石墨烯纳米片/铝复合材料发展的关键瓶颈，但缺乏细致的研究工作。本项目采用粉末冶金路线，在解决分散石墨烯纳米片难题的基础上，进一步优化分散工艺并阐明片状铝粉对石墨烯纳米片的吸附机理。系统研究热压和二次塑性加工参数对石墨烯纳米片/铝复合材料界面反应、结构损伤以及分布取向的影响规律，制备出低损伤、界面结合良好的石墨烯纳米片/铝复合材料并揭示其强韧化机理。研究发现，石墨烯纳米片主要靠静电吸附分散到铝粉末表面，其分散受铝粉末的比表面积影响；经粉末冶金制备的石墨烯/铝复合材料中石墨烯定向排列、结构完整，但氧化铝分布铝和石墨烯之间，不利于形成优良的界面结合，影响石墨烯的强化效率；通过大塑性变形或者加入镁可以破碎或者去除片状铝粉表面的氧化膜，极大改善石墨烯和铝的界面结合，从而大幅提高石墨烯的强化效率；在以上研究基础上，开发了通过搅拌摩擦加工制备石墨烯/铝复合材料的新工艺，石墨烯分散均匀、界面结合良好，使得复合材料的强度大幅提高，并揭示其强化机制主要是由于其大的比表面引起的高效载荷传递作用，为石墨烯/铝复合材料的结构设计提供了依据。