还原氧化石墨烯增强铝基复合材料的制备及性能研究

发布时间：2020-10-16 22:54

　　石墨烯因具有独特的层状结构,并表现出优异的力学、热学等性能,被认为是金属基复合材料理想的增强相。为了研究石墨烯在制备铝基复合材料方面的应用,本论文提出了一种新的石墨烯分散工艺-溶液混合法,并结合粉末冶金工艺制备了还原氧化石墨烯/铝基复合材料。通过拉伸实验测试了石墨烯/铝基复合材料的力学性能,并分析了石墨烯的增强机理。在此基础上,制备出了石墨烯/碳化硅混杂增强铝基复合材料,并采用球盘式摩擦试验机测试了混杂增强铝基复合材料的摩擦磨损性能,研究了石墨烯含量与外加载荷对铝基复合材料耐磨性的影响规律,揭示了复合材料的磨损机理。采用氧化还原法制备的石墨烯层数较少,结构完整。通过溶液混合法,可获得石墨烯与纯铝粉末、以及与碳化硅颗粒和铝合金粉末的均匀混合,并最终实现石墨烯在铝基复合材料基体中的均匀分布。石墨烯/铝基复合材料的力学研究结果表明:石墨烯材料的加入能够显著提高复合材料的硬度和强度。当石墨烯含量为0.3wt.%时,石墨烯/铝基复合材料的极限抗拉强度和硬度达到最大值,分别为255MPa,74.3±2.9(HV),延伸率为19.2%;当石墨烯含量继续增加至0.6wt.%时,抗拉强度和硬度稍有降低,延伸率也降至13.2%。通过分析石墨烯/铝基复合材料的微观组织,细晶强化和位错强化是石墨烯增强铝基复合材料的主要强化机制。石墨烯/碳化硅混杂增强铝基复合材料的硬度测试结果表明:其硬度要高于单一碳化硅增强的铝基复合材料,而且复合材料的显微硬度随石墨烯含量的增加先增加后降低,石墨烯含量为0.3wt.%的复合材料硬度值最高,为72.8±2.8(HV)。摩擦磨损实验结果表明:随着载荷的增加,石墨烯/碳化硅混杂增强铝基复合材料的摩擦系数先降低,后升高;磨损率随载荷增加而增大;和单一碳化硅增强铝基复合材料相比,混杂增强铝基复合材料的磨损率更低,临界载荷也更大。石墨烯含量为0.5wt.%的复合材料在1-3.2N条件下摩擦系数稳定,磨损率低。但当石墨烯含量增加至0.7wt.%时,复合材料在2.5N时磨损率急剧增加,和碳化硅/铝基复合材料一样出现临界载荷。结合磨损表面形貌分析,在1-3.2N载荷条件下,单一碳化硅增强铝基复合材料的磨损机理以剥层磨损为主,石墨烯/碳化硅混杂增强的铝基复合材料的磨损机理在低载荷下是以磨粒磨损和粘着磨损为主,在高载荷下以剥层磨损为主。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB333
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 引言
    1.2 铝基复合材料的研究现状
        1.2.1 铝基复合材料的增强相
        1.2.2 铝基复合材料的制备方法
        1.2.3 纳米相增强铝基复合材料的制备方法
        1.2.4 铝基复合材料的主要强化机制
        1.2.5 铝基复合材料的磨损机理
        1.2.6 铝基复合材料摩擦磨损性能的影响因素
    1.3 石墨烯增强铝基复合材料的研究现状
        1.3.1 石墨烯增强铝基复合材料的制备工艺
        1.3.2 石墨烯增强铝基复合材料的性能
    1.4 本文研究的目的意义、内容及技术路线
        1.4.1 本文研究的目的意义
        1.4.2 本文研究内容及技术路线
第2章铝基复合材料的制备及实验设备
    2.1 引言
    2.2 实验原材料与设备
        2.2.1 制备氧化石墨烯的原料与试剂
        2.2.2 制备铝基复合材料的原材料
        2.2.3 制备氧化石墨烯的设备
        2.2.4 制备铝基复合材料的设备
    2.3 氧化石墨烯的制备方法
    2.4 石墨烯分散工艺的探索
    2.5 石墨烯/铝基复合材料的制备方法
    2.6 石墨烯/碳化硅混杂增强铝基复合材料的制备方法
    2.7 材料的组织结构分析与性能测试
第3章石墨烯/铝基复合材料的组织和力学性能分析
    3.1 引言
    3.2 氧化石墨烯的表征
    3.3 石墨烯/铝基复合材料的力学性能
        3.3.1 强度和硬度
        3.3.2 断口形貌
        3.3.3 石墨烯/铝基复合材料的增强机理
    3.4 本章小结
第4章石墨烯/碳化硅混杂增强铝基复合材料的显微组织及摩擦磨损性能分析
    4.1 引言
    4.2 复合材料的微观组织分析
        4.2.1 复合粉末的SEM分析
        4.2.2 复合材料的SEM分析及物相分析
    4.3 复合材料的硬度
    4.4 摩擦磨损性能测试
        4.4.1 摩擦系数分析
        4.4.2 磨损率分析
        4.4.3 磨损表面与磨屑的宏观分析
        4.4.4 磨损表面与磨屑的微观分析
        4.4.5 磨损机理分析
    4.5 本章小结
结论
参考文献
致谢
附录A(攻读硕士学位期间所发表的论文)

【参考文献】

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