石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料设计制备与数值模拟
发布时间：2021-04-21 18:57
钛基复合材料（TMCs）具有高比强度、高比模量和优异的耐高温能力,符合航空航天飞行器、高性能汽车等领域对轻质耐热高强结构材料的性能要求。然而传统增强相均匀分布TMCs的强度与塑（韧）性之间存在倒置关系,极大地限制了TMCs的实际应用。为解决该瓶颈问题,本文选择一维碳纳米管（CNTs）和二维石墨烯（graphene）作为高效增强相,利用可控球磨结合放电等离子体烧结（SPS）技术构建了层状微观结构,并最终制备出石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料。首先,建立了球磨工艺参数与撞击能量/频率的定量关系,并通过ABAQUS有限元数值模拟,研究了不同球磨工艺参数下Ti粉的形态与径厚比演变规律,并通过实验进行了对比验证即利用并利用扫描电子显微镜（SEM）系统表征了不同球磨工艺下Ti粉的形态与径厚比演变情况,同时利用X射线光电子能谱仪（XPS）、拉曼光谱仪对球磨后的石墨烯与CNTs分布与存在状态进行了表征;随后,通过Material Studio软件结合第一性原理计算研究了SPS烧结态的石墨烯/Ti界面情况。进而通过优化的球磨与SPS烧结工艺,制备出石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料。ABAQUS有...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究目的和意义
1.2 石墨烯/CNTs增强复合材料制备现状
1.2.1 水热法
1.2.2 粉末冶金法
1.2.3 机械混合法
1.2.4 沉积法
1.2.5 原位生长法
1.3 石墨烯/CNTs混杂增强复合材料的研究现状
1.3.1 石墨烯与CNTs的协同分散
1.3.2 C与Ti的界面结合与界面反应
1.3.3 层状结构的构建
1.4 主要研究内容
第2章 试验材料及试验方法
2.1 试验材料
2.2 研究方案
2.3 石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料组织表征与研究方法
2.3.1 材料组织与结构表征
2.3.2 Ti粉预先球磨有限元数值模拟
2.3.3 SPS烧结的CASTEP分子动力学研究
第3章 Ti粉球磨变形过程数值模拟研究
3.1 引言
3.2 球磨过程基本参数的计算
3.2.1 磨球转动线速度计算
3.2.2 磨球撞击频率计算
3.2.3 磨球撞击能量计算
3.3 Ti粉球磨变形过程模拟结果分析
3.3.1 球磨参数对粉末径厚比的影响规律
3.3.2 粉末形态与应力应变分布
3.3.3 粉末表面粗糙度研究
3.4 本章小结
第4章 石墨烯/Ti界面SPS烧结第一性原理研究
4.1 引言
4.2 第一性原理计算理论
4.3 石墨烯/Ti界面模型构建
4.3.1 石墨烯模型构建
4.3.2 Ti结构模型建立
4.3.3 石墨烯/Ti界面模型建立
4.4 SPS烧结温度对石墨烯/Ti界面的影响
4.5 本章小结
第5章 石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料的制备
5.1 前言
5.2 （石墨烯+CNTs）/Ti复合粉体的制备
5.2.1 钛粉的预先球磨
5.2.2 CNTs与石墨烯的分散
5.2.3 （石墨烯+CNTs）/Ti复合薄片的制备
5.3 （石墨烯+CNTs）/Ti复合薄片的SPS烧结
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯增强钛基复合材料制备工艺与性能研究[J]. 孙峰,王凯旋,杨辉,史一功,杨晶,楼美琪. 钛工业进展. 2019(01)
[2]CNTs含量对CNTs/Al复合材料力学性能的影响[J]. 谢昆,王裕,宋腾飞,刘洋,蔡彬. 特种铸造及有色合金. 2018(09)
[3]球磨工艺对原位合成碳纳米管增强铝基复合材料微观组织和力学性能的影响[J]. 杨旭东,陈亚军,师春生,赵乃勤. 材料工程. 2017(09)
[4]旋转摩擦挤压加工CNTs/Al复合材料的线材组织和性能[J]. 刘奋成,熊其平,钱涛,刘强,邢丽,柯黎明. 中国有色金属学报. 2017(01)
[5]分子动力学模拟在复合材料界面研究中的进展[J]. 李健,杨延清,罗贤,金娜,李茂华,黄斌,韩明. 稀有金属材料与工程. 2013(03)
[6]碳纳米管增强金属基复合材料混料工艺的研究现状[J]. 田家龙,刘越,赵群,晋冬艳. 材料导报. 2012(11)
[7]球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料的研究进展[J]. 王晓飞,蔡晓兰,张代明,王开军. 材料导报. 2010(11)
[8]TiC和TiB混杂增强钛基复合材料研究新进展[J]. 于兰兰,毛小南,张鹏省. 钛工业进展. 2008(04)
[9]原位自生非连续增强钛基复合材料的研究现状与展望[J]. 耿林,倪丁瑞,郑镇洙. 复合材料学报. 2006(01)
硕士论文
[1]石墨烯/Ti基复合材料界面性质和力学行为的原子尺度模拟[D]. 陈斌溢.哈尔滨工业大学 2019
[2]石墨烯/Al基复合材料界面性质与电子结构的第一性原理研究[D]. 刘越.哈尔滨工业大学 2018
[3]石墨烯增强钛基复合材料的第一性原理研究[D]. 何小晶.中北大学 2018
本文编号：3152304
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究目的和意义
1.2 石墨烯/CNTs增强复合材料制备现状
1.2.1 水热法
1.2.2 粉末冶金法
1.2.3 机械混合法
1.2.4 沉积法
1.2.5 原位生长法
1.3 石墨烯/CNTs混杂增强复合材料的研究现状
1.3.1 石墨烯与CNTs的协同分散
1.3.2 C与Ti的界面结合与界面反应
1.3.3 层状结构的构建
1.4 主要研究内容
第2章 试验材料及试验方法
2.1 试验材料
2.2 研究方案
2.3 石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料组织表征与研究方法
2.3.1 材料组织与结构表征
2.3.2 Ti粉预先球磨有限元数值模拟
2.3.3 SPS烧结的CASTEP分子动力学研究
第3章 Ti粉球磨变形过程数值模拟研究
3.1 引言
3.2 球磨过程基本参数的计算
3.2.1 磨球转动线速度计算
3.2.2 磨球撞击频率计算
3.2.3 磨球撞击能量计算
3.3 Ti粉球磨变形过程模拟结果分析
3.3.1 球磨参数对粉末径厚比的影响规律
3.3.2 粉末形态与应力应变分布
3.3.3 粉末表面粗糙度研究
3.4 本章小结
第4章 石墨烯/Ti界面SPS烧结第一性原理研究
4.1 引言
4.2 第一性原理计算理论
4.3 石墨烯/Ti界面模型构建
4.3.1 石墨烯模型构建
4.3.2 Ti结构模型建立
4.3.3 石墨烯/Ti界面模型建立
4.4 SPS烧结温度对石墨烯/Ti界面的影响
4.5 本章小结
第5章 石墨烯/CNTs混杂增强钛基复合材料的制备
5.1 前言
5.2 （石墨烯+CNTs）/Ti复合粉体的制备
5.2.1 钛粉的预先球磨
5.2.2 CNTs与石墨烯的分散
5.2.3 （石墨烯+CNTs）/Ti复合薄片的制备
5.3 （石墨烯+CNTs）/Ti复合薄片的SPS烧结
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯增强钛基复合材料制备工艺与性能研究[J]. 孙峰,王凯旋,杨辉,史一功,杨晶,楼美琪. 钛工业进展. 2019(01)
[2]CNTs含量对CNTs/Al复合材料力学性能的影响[J]. 谢昆,王裕,宋腾飞,刘洋,蔡彬. 特种铸造及有色合金. 2018(09)
[3]球磨工艺对原位合成碳纳米管增强铝基复合材料微观组织和力学性能的影响[J]. 杨旭东,陈亚军,师春生,赵乃勤. 材料工程. 2017(09)
[4]旋转摩擦挤压加工CNTs/Al复合材料的线材组织和性能[J]. 刘奋成,熊其平,钱涛,刘强,邢丽,柯黎明. 中国有色金属学报. 2017(01)
[5]分子动力学模拟在复合材料界面研究中的进展[J]. 李健,杨延清,罗贤,金娜,李茂华,黄斌,韩明. 稀有金属材料与工程. 2013(03)
[6]碳纳米管增强金属基复合材料混料工艺的研究现状[J]. 田家龙,刘越,赵群,晋冬艳. 材料导报. 2012(11)
[7]球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料的研究进展[J]. 王晓飞,蔡晓兰,张代明,王开军. 材料导报. 2010(11)
[8]TiC和TiB混杂增强钛基复合材料研究新进展[J]. 于兰兰,毛小南,张鹏省. 钛工业进展. 2008(04)
[9]原位自生非连续增强钛基复合材料的研究现状与展望[J]. 耿林,倪丁瑞,郑镇洙. 复合材料学报. 2006(01)
硕士论文
[1]石墨烯/Ti基复合材料界面性质和力学行为的原子尺度模拟[D]. 陈斌溢.哈尔滨工业大学 2019
[2]石墨烯/Al基复合材料界面性质与电子结构的第一性原理研究[D]. 刘越.哈尔滨工业大学 2018
[3]石墨烯增强钛基复合材料的第一性原理研究[D]. 何小晶.中北大学 2018
本文编号：3152304
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