石墨烯及其Al-Mg-Si基复合材料的制备及组织性能研究

发布时间：2020-04-11 23:14

【摘要】：石墨烯因其独特的二维结构被赋予了优异的物理性能和化学性能,被广泛应用于纳米电子学、传感器、复合材料、电池、超级电容器和储氢材料等领域。目前,石墨烯难以实现高质量、规模化的生产已经严重抑制了其广阔的应用前景。本文使用直流电弧法制备石墨烯,通过改变等离子体压力和气氛,探究电弧放电过程对石墨烯生长的影响,以此来优化直流电弧法制备石墨烯的工艺参数。等离子体不同的压力是以氩气为缓冲气体制造的,等离子体气氛是分别用氢气和氮气以相同的比例(3:97)混合氩气形成的。以石墨烯为增强体,Al-Mg-Si合金为基体,采用FADB法制备石墨烯/Al-Mg-Si复合材料,探究石墨烯添加量对复合材料组织及性能的影响。不同的压力和气氛环境下,石墨烯具有相同的表面形貌,片状的表面结构布满波浪状的褶皱,由二维结构向三维方向转变。石墨烯片层之间相互叠加,呈现出多层结构。负压环境下比正压制得的石墨烯缺陷更少,但是负压下石墨烯的层数波动比正压大。当压力为-0.03MPa时,石墨烯的I_D/I_G、I_G/I_(2D)的值分别是0.68和1.74,厚度在0.34nm~2nm左右,层数在单层至五层范围内波动。当压力为0.06 MPa时,石墨烯的I_D/I_G、I_G/I_(2D)的值分别是1.05和1.77,厚度集中在2nm左右,主要为5层结构。等离子体气氛中存在氢气时制备出的石墨烯质量高于其它气氛,I_D/I_G、I_G/I_(2D)的值分别是0.54和1.53,层数主要为双层,表明氢气气氛有利于石墨烯的生长。当等离子体气氛存在氮气时,发现大量无定形碳的生成,表明氮气的存在抑制石墨烯的生长。石墨烯/Al-Mg-Si复合材料的物相主要由Al、Si、Mg_2Si相和石墨烯组成,没有生成有害相Al_4C_3。石墨烯可以细化基体晶粒,促使Si晶粒均匀分布。石墨烯与基体界面结合良好,主要沿晶界和表面粘附和基体结合,并且石墨烯分散均匀,无严重团聚现象出现。复合材料的硬度和强度随着石墨烯含量的增加先升高后减小,当石墨烯添加量为1.5%时,复合材料的硬度达到最高值121.7HV,比基体提高了49%。石墨烯添加量为1.0%时,抗拉强度高达293MPa,强度约是基体的2倍。复合材料断裂时没有明显的“颈缩”现象,裂纹源主要是石墨烯的断裂和脱附形成的撕裂脊和凹坑。石墨烯在复合材料中的主要强化作用有:晶粒细化、位错强化、载荷传递和Orowan强化。
【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】：TQ127.11;TB33

【相似文献】