石墨烯增强/韧Al基块体非晶及其复合材料的制备及力学行为的研究

Al基非晶由于其高比强度、低密度等优异性能一直倍受人们的广泛关注，但Al基块体非晶的制备与其宏观塑韧性是非晶研究领域亟需解决的问题。本项目拟采用具有独特单层原子结构和优异性能的石墨烯作为第二相，利用机械合金化和热压/放电等离子烧结技术，以及熔体淬火工艺制备石墨烯增强/韧Al基块体非晶及其复合材料，解决石墨烯和Al基非晶复合以及烧结的制备工艺难题。明确石墨烯与非晶基体的异质界面结构特征，揭示石墨烯本征特性和存在方式影响Al基块体非晶及其复合材料力学性能的物理机制，建立含石墨烯Al基非晶及其复合材料结构和力学性能关系的经验准则。本项目的开展，将为高强度、高塑韧性Al基块体非晶及其复合材料的研制提供理论与实验依据，并为块体Al基非晶的开发提供新途径。

随着雾霾污染的逐年恶化，人们对节能减排的要求日益增长，在汽车和航天航空行业中，对高强度低密度材料的需求也日益迫切。在众多非晶合金体系中，Al基非晶态合金及其复合材料表现出超高的比强度和优异的抗腐蚀性能，具有良好的应用前景。但是铝基非晶的广泛应用受到其低非晶形成能力及室温塑性较差，受载荷时易表现出较脆性断裂的限制。研究发现，和单一均匀非晶结构相比，含有第二相的非晶复合材料表现出更优异的强度和塑韧性，不同碳形式作为第二相增强/韧金属非晶材料特别是Al基非晶鲜有报道。本项目采用机械合金化法首先制备出Al基非晶合金，将不同结构类型的碳元素，如石墨烯(Gr)，石墨（C）和碳纳米管(CNT）, 利用机械混合的方法掺杂于Al基非晶合金中，探究第二相在基体中的分散、界面结合及对非晶基体热稳定性的影响。通过不同的粉末烧结方法探索制备大块铝基非晶及其复合材料，以拓宽其在工业生产中的应用。研究结果如下：. 不同碳形式元素（C、Gr和CNT）的添加显著延长了基体Al基合金的非晶化进程,对物相组成变化造成了极大的影响。不同结构类型的碳会导致球磨过程的产物组成发生变化,同时在微观组成方面对原子团簇尺寸产生显著影响。但适当碳元素的添加均大幅度提高基体合金的热稳定,表现Ex、Ep的显著提高。连续加热转变计算显示碳的引入可以确保材料在连续高温条件下保持稳定结构,证明了C、CNT和Gr /Al基非晶粉末卓越的热稳定性。需要说明的是，Gr掺杂的合金粉末的晶化激活能值明显高于C和CNT掺杂,说明Gr更有利于提高铝基非晶合金的热稳性。. 传统粉末冶金法和放电等离子烧结制备了碳/Al基合金复合材料。温度低于1273 K烧结时，块体合金为部分晶化的非晶复合材料，其显微硬度在烧结温度为1173 K时达到最大(363 HV)。烧结温度高于该温度，块体合金发生完全晶化。掺杂不同碳材料块体合金的显微硬度低于Al基体非晶合金，而相对密度明显提高。目前的研究成果达到了本项目的预期目标。本项目通过研究石墨烯等碳元素与非晶基体界面结合及块体烧结工艺探索，为新型Al 基块体非晶及其复合材料的研制提供理论与实验依据,并为块体Al基非晶的开发提供新途径。