网状结构石墨烯增强钛合金基复合材料的强韧化机理与性能

Discontinuously reinforced titanium matrix composites are important structural metallic materials for aerospace applications. Graphene with excellent mechanical and functional properties is a kind of new reinforcement for composite materials. In this project, the graphene reinforced Ti6Al4V (TC4) matrix composites will be investigated. Few layered graphene (<10 layers) will be modified onto the surface of spherical TC4 particles. Then the composite powders will be consolidated by spark plasma sintering technique. The distribution of graphene with a network structure in the TC4 matrix and the ratio of graphene/in-situ formed nano-TiC will be modulated and studied. The surface modification mechanism of graphene on TC4 particles, the mechanism of network distribution of graphene, the doping ratio of graphene, ration of graphene/nano-TiC, the microstructure and interface of the composites, the mechanical properties and strengthening mechanisms, the damping property and thermal expansion coefficient of the composites will be studied. It will provide scientific proofs for the aerospace application of the graphene/TC4 composites. This project will enrich the strengthening theory of the metal matrix composite, promote the graphene/TC4 composite as a new composite materials to be used in aerospace technologies. Consequently, this project has great scientific and technological significances from both basic and applied viewpoints.

非连续增强钛基复合材料是航天领域重要的结构金属材料，石墨烯具有优异的力学和功能性能是新型的复合材料的增强相。本项目主要研究石墨烯增强Ti6Al4V(TC4)合金基复合材料，拟将少层石墨烯（小于十层）修饰到TC4球形颗粒的表面，然后采用放电等离子烧结成型，控制石墨烯在TC4合金中呈可控的网络状分布，控制石墨烯与钛合金原位反应生成纳米碳化钛的比例。主要研究钛合金球形颗粒表面修饰石墨烯的工艺与机理，石墨烯的网络状分布控制机制，石墨烯的添加比例、石墨烯/纳米碳化钛的比例，钛基复合材料的微观组织与界面结构，复合材料的力学性能与强韧化机理，复合材料的阻尼性能与热膨胀系数，为其应用于航天领域提供科学的指导依据。本项目将丰富钛基复合材料的强韧化理论并提供一种新型的钛合金基复合材料，对于航天领域具有重要的意义。

本项目针对航天零部件对高强高弹、高耐磨耐热钛基复合材料的需求，研究石墨烯增强Ti6Al4V(TC4)钛合金基复合材料，将石墨烯(GR)修饰到TC4球形粉末表面，采用高温-低温放电等离子烧结（SPS）/高压-低温SPS工艺成型。主要研究GR分散修饰工艺，添加比例、GR/纳米TiC比例，微观组织与界面结构，力学性能与强韧化机理，复合材料的摩擦磨损、导热与阻尼性能等。通过化学交联和高温低压SPS烧结成功制备了增强相呈三维网状分布的少层GR/TC4复合材料。研究表明，随GR添加量增加（0.25-1.5wt.%），复合材料均有良好的界面结合，显微硬度逐渐增大，最大提升18%（1.5wt.%GR）。压缩屈服强度最大提升27.3%（1.0wt.%GR），所有样品表现出良好的塑性压缩应变均高于28%。0.25wt.%GR/TC4复合材料拉伸性能最佳，屈服强度提升7.1%，同时仍保持较高的延伸率10%。通过三维混料法和高压-低温SPS法进一步探究少量GR添加（0.05-0.25wt.%）后的微观结构与性能。抗拉强度和屈服强度随GR增加而升高，0.1wt.%GR/TC4复合材料拉伸性能最佳，屈服强度相对TC4提升23.0%，抗拉强度提升18.1%，仍保持较高的延伸率15.2%，弹性模量达到了140GPa。项目中对GR的强韧化机理进行了模型化处理和深入的研究。复合材料的摩擦系数低于TC4，随FLG添加量增多呈下降趋势。热导率先减小后增大，0.25wt.%添加对应最大的热导率（7.124Wm-1K-1）。对比多层GR和压力（250-500MPa）对复合材料结构与性能的影响结果表明，900°C-250 MPa是最优的烧结工艺，生成碳化钛和残留GR的比例为70:30vol%。复合材料中，0.15wt%GR添加对应复合材料最佳的力学性能。首次采用SPS热锻(SPF)的方式进行复合材料变形处理，0.25wt.% GR/TC4拉伸屈服强度进一步提高达1100MPa，0.15wt.% GR/TC4在高温（＞370℃）时，展现出优于TC4的阻尼性能，有望应用在航天阻尼器件中。该研究为其应用于航天领域提供科学的指导依据，丰富钛基复合材料的强韧化理论并提供一种新型的钛合金基复合材料，对航天领域具有重要的意义。