搅拌铸造法制备石墨烯增强铝基复合材料分级结构及其强韧化机制研究

The preparation of reduced graphene oxide (rGO)-reinforced Al matrix composites by stirring casting method was not successful due to the bad interfacial wetting, serious aggregation, and severe interfacial reaction of rGO within Al molten. This project will firstly design and prepare a novel reinforcement phase—high-quality 3D graphene network/metal complex, whose density and interface are compatible with Al molten, and then fabricate hierarchically structured graphene reinforced Al matrix composites by stirring casting-rolling process. This project will develop a novel design idea and fabrication method. The in situ synthesis thermodynamics, kinetics, design principle and in situ formation mechanism of 3D graphene network/metal complex will be studied, and the processing optimization of stirring casting-rolling technique will be investigated in detail. The organization structure, interface and properties of the hierarchically structured composites during deformation processing will be revealed. The crack nucleation and propagation and dislocation motion discipline of the composites during tensile process will be in situ observed, and the strengthening, toughening and fracture mechanisms of the hierarchically structured composites will be disclosed. Finally, hierarchically structured Al matrix composites with high strength and high ductility will be obtained. The research results can provide theory guidance and novel technical routes for the low-cost exploitation and large-scale application of graphene-reinforced Al matrix composites fabricated by stirring casting method.

针对还原氧化石墨烯在铝熔体中界面浸润差、分散困难以及界面反应严重进而难以实现复合材料的搅拌铸造制备等突出问题，本项目拟首先利用原位化学气相沉积设计制备密度和界面与铝熔体相匹配的新型增强相—高质量三维石墨烯网络/金属复合体系，再采用搅拌铸造-轧制变形工艺制备增强相弥散分布于铝基体中的分级结构复合材料。本项目提出了一种新的石墨烯/铝复合材料的设计思想和制备方法，研究原位反应体系的的热力学与动力学机制，揭示增强相的原位形成机制；探讨搅拌铸造-轧制变形工艺优化，揭示复合材料变形过程组织结构、界面与性能变化规律；原位观察复合材料在拉伸过程中裂纹形核与扩展以及位错运动规律，阐明分级结构复合材料的强韧化机制与断裂机理，获得高强韧铝基复合材料。预期成果可望开辟搅拌铸造法制备石墨烯/铝复合材料的崭新研究方向及其可行的理论基础与技术途径，对推动高性能石墨烯/铝复合材料的低成本规模化制备和应用具有重要意义。

石墨烯是金属基复合材料的理想增强体，因具有优异的力学、电学和热学等性能而被广泛地应用于铝基复合材料。但现有方法制备的石墨烯增强铝基复合材料的性能和理论值相比仍有较大差距，且存在强韧倒置的关系，因此，寻求新的制备技术以克服现有方法的不足是发展石墨烯增强铝基复合材料的关键。本项目首先采用喷雾干燥技术和化学沉积工艺相结合的方法规模制备了负载金属颗粒的石墨烯纳米片（MPGNPs），在此基础上利用搅拌铸造或粉末冶金法制备了石墨烯纳米片（GNPs）增强的铝基和铝铜合金基复合材料。系统研究了制备工艺、复合材料的微观结构和力学性能三者之间的关系，探讨了复合材料的强韧化机制及断裂机理，为制备高性能的石墨烯增强铝基复合材料提供理论依据和实现途径。研究发现：GNPs表面负载的金属颗粒能改善GNPs的分散性，并抑制或延缓GNPs和铝基体之间的界面反应；GNPs表面负载的Ni元素在GNPs和基体界面处形成了Al3Ni颗粒/层，从而提高了GNPs和铝基体之间的界面结合及积累位错的能力，进而导致Ni-GNPs/Al复合材料展现出良好的韧性；GNPs表面负载的Cu元素则扩散到GNPs和铝的界面附近形成铝铜固溶体，这对GNPs-Al界面结合影响较小，但由于Cu元素的固溶强化，Cu-GNPs/Al复合材料表现出更高的强度；Cu-GNPs对Al-Cu合金的影响和其对纯铝的影响相似；GNPs的加入会加速Al-Cu合金的时效析出，使GNPs/Al-Cu复合材料的峰时效提前；析出相的强化机制和GNPs的强化机制存在相互影响，致使GNPs/Al-Cu复合材料时效后的强度提升不明显；经工艺优化后，固溶态的GNPs含量为2.1 wt.%的GNPs/Al-Cu复合材料有着最佳的综合性能：屈服强度为482 MPa，抗拉强度为615 MPa，延伸率约为9%，分别为固溶态Al-Cu合金的180%、143%和54%；Cu-GNPs/Al复合材料的主要增强机制为由于GNPs和铝基体的热膨胀系数差异引发的热错配强化、由于GNPs对位错阻碍引发的Orowan强化和由于GNPs承载引发的载荷传递强化，细晶强化和固溶强化为其次要强化机制；由于GNPs和铝基体的界面对位错的塞积引发的复合材料应变硬化能力的提高是复合材料韧化的主要机制。