石墨烯增强镍基复合材料的沉积机制及力学性能研究

发布时间：2020-04-10 07:08

【摘要】：石墨烯具有高的强度、杨氏模量和较大的比表面积,将其用于增强金属基复合材料能极大改善复合材料的强韧性。然而,石墨烯增强金属基复合材料中制备存在石墨烯稳定性差、强化效率低、难分散等问题,制约了石墨烯增强金属基复合材料的开发和应用。为了提高石墨烯的强化效率,改善石墨烯增强金属基复合材料的力学性能,本文从合成石墨烯入手,采用化学还原法制备具有高分散性和良好还原性的石墨烯,再通过电沉积法制备了不同结构的石墨烯增强镍基复合材料。研究表面活性剂、纳米颗粒、还原温度对石墨烯分散性和还原性的影响规律;探讨电沉积过程中复合材料晶粒的形核和长大行为;研究石墨烯增强镍基复合材料的力学性能及石墨烯增强镍基复合材料的强化机制。主要研究结论如下:(1)化学还原法制备石墨烯过程中,加入水合肼能合成石墨烯,但合成的石墨烯极易发生团聚。改进制备工艺,发现引入镍纳米颗粒能抑制石墨烯的团聚,但石墨烯溶液较浑浊且存在Ni(OH)_2沉淀,而添加聚乙烯吡咯烷酮制备出的石墨烯具有良好的分散性;进一步研究发现,在还原温度为80℃下,通过水合肼和聚乙烯吡咯烷酮共同作用制备的石墨烯,具有层数少,含氧官能团少,分散性好且吸光度高的特点。(2)采用EBSD分析石墨烯增强镍基复合材料组织,发现石墨烯的加入会改善镍基体的晶粒尺寸分布。研究表明,纯镍的组织为长条状粗晶,平均晶粒尺寸为0.9?m;在250 ml的镀液中,添加2 ml石墨烯制备的复合材料,晶粒尺寸较小且呈现双峰分布;添加4 ml石墨烯制备的复合材料由尺寸相对均匀、圆滑的等轴晶组成,平均晶粒尺寸为0.7?m。利用循环伏安曲线和电化学阻抗谱分析沉积机理,发现石墨烯具有增加阴极极化,提高镀液导电性,降低电沉积过程中反应电阻和过电位的作用。石墨烯的加入能提高镍原子的形核速率,抑制晶粒的长大,从而制备出具有不同显微结构的石墨烯增强镍基复合材料。(3)力学性能结果,发现石墨烯提高了镍基复合材料的强度、塑性及加工硬化能力,且随石墨烯含量的增高,材料的强度、塑性呈现先增加后降低的变化趋势;加入2 ml石墨烯制备的石墨烯增强镍基复合材料具有较宽的迟滞环,抗拉强度达870 MPa,延伸率为21%。故推断背应力硬化使得石墨烯增强镍基复合材料具有良好的强度和塑性。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB333

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