石墨烯增強鎂基復合材料PPT課件

1、 石墨烯 石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準二維材料，所以又叫做單原子層石墨。因為具有十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學特性，在物理學、材料學、電子信息、計算機、航空航天等領域都得到了長足的發(fā)展，作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”。1第1頁/共20頁鎂 它呈銀白色，熔點649，質(zhì)輕，密度為1.74克/厘米3，約為銅的1/4、鋁的2/3；其化學活性強，與氧的親合力大，常用做還原劑。粉狀或細條狀的鎂，在空氣中很易燃燒，燃燒時發(fā)出眩目的白光。但極易溶解于有

2、機和無機酸中。鎂能直接與氮、硫和鹵素等化合。金屬鎂無磁性，且有良好的熱消散性。質(zhì)軟，熔點較低。 鎂是燃燒彈和照明彈不能缺少的組成物；鎂粉是節(jié)日煙花必需的原料；2第2頁/共20頁 Al2O3顆粒顆粒或纖維或纖維 鎂合金鎂合金Al18B4O33顆?；蚓ьw?；蚓ы氻歋iC顆粒顆?；蚓ы毣蚓ы?鎂化合鎂化合物物 碳（石碳（石墨）纖維墨）纖維 鎂化合鎂化合物物 鑄鎂鑄鎂 鎂合金鎂合金鎂基復合材料3第3頁/共20頁我是新材料之王，石墨烯我是鎂4第4頁/共20頁 石墨烯鎂基復合材料的研究背景 伴隨石墨烯研究熱潮的不斷推進，基于石墨烯優(yōu)良的物理化學性能，人們也試圖將石墨烯引入到金屬基復合材料中，期望利用其某一

3、或某些特性對金屬基體的性能進行強化。目前，諸多文獻已提到用石墨烯來強化Al、Cu、Ni等金屬基體，且石墨烯對以上金屬基體都能起到良好的強化作用。在鎂基體中添加石墨烯作為增強體是一種以不增加鎂合金比重為前提，并且能有效改善鎂合金線性膨脹熱穩(wěn)定性，提高合金抗拉強度的可行方法。但由于鎂本身的化學性質(zhì)較活潑，很容易在制備過程中發(fā)生化學反應，因此對于以鎂或鎂合金作為基體的復合材料而言，應嚴格控制制備過程中的工藝參數(shù)，防止界面處的不良反應。目前，鎂基復合材料的制備工藝還有待于改進和完善，其準確的復合機理、界面處的強化機制等建設性的研究還不是相當全面。與傳統(tǒng)的顆粒、晶須和纖維增強鎂基復合材料不同，對石墨烯增

4、強鎂基復合材料而言，石墨烯在鎂基體中的形態(tài)為片狀，因此關于這方面的研究將又是一種新的研究方向。 5第5頁/共20頁 鎂基復合材料研究現(xiàn)狀概要 鎂基復合材料的主要特點是低密度、高比強度和比剛度、良好的耐磨性、良好的耐高溫性、良好的耐沖擊性、優(yōu)良的減震性、良好的尺寸穩(wěn)定性、良好的鑄造性以及優(yōu)異的電磁屏蔽性能等。由于存在低熔點，高化學活性，易燃，易氧化等特點，有關適合鎂基復合材料的制備工藝一直以來是人們研究和解決的一大熱點。因為鎂的熔點接近于鋁的熔點，所以很多的制備方法都是在鋁基復合材料的研究基礎上進行推廣和改進的。比較傳統(tǒng)的方法有普通鑄造法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法和粉末冶金法，此外又出現(xiàn)了許多比較

5、新型的制備方法，如機械合金化法、熔體浸滲法、噴射沉積法、自蔓延高溫合成法、重熔稀釋法和反復塑性變形法等。不同鎂基復合材料制備方法。近年來，準晶、碳纖維和石墨烯等新型增強體研究取得了較大進展，增強體與鎂及鎂合金之間的界面潤濕性問題也通過不同工藝被逐漸解決，這為鎂基復合材料的研究人員帶來了新的靈感。6第6頁/共20頁 鎂基復合材料研究現(xiàn)狀概要 青海大學的韓麗等采用溶膠-凝膠法制備了CuO 涂覆 Mg2B2O5 晶須增強鎂基復合材料并對其界面結構進行了研究，發(fā)現(xiàn)CuO 涂覆可以改善界面處的結合強度，材料的抗拉強度和斷后伸長率相較于未涂覆前分別提高了 37.6%和 35.7%。李坤等也采用溶膠-凝膠法

6、在碳纖維表面制備出了均勻且無裂紋的 SiO2 涂層，進而制備得到了SiO2涂覆碳纖維增強鎂基復合材料，分析發(fā)現(xiàn)雖然復合材料的極限拉伸強度值只有 527MPa，遠遠偏離了理論值，但是碳纖維表面的 SiO2 涂層可明顯促進液態(tài)鎂對碳纖維的潤濕。通過液態(tài)超聲結合固態(tài)攪拌的方法成功制備出了塊體石墨烯顆粒增強鎂基復合材料，石墨烯在基體中分布均勻，復合材料的性能強化明顯，1.2%石墨烯復合材料的顯微硬度可達 66kg/mm2，比相同工藝條件下純鎂的性能提升了78%。 7第7頁/共20頁 鎂基復合材料研究現(xiàn)狀概要 香港城市大學呂堅教授團隊近日在材料研究取得重大突破，全球首次制備出了超納鎂合金材料。這種結構使

7、得鎂合金具備3.3GPa的超高強度，達到了近理論值E/20（其中，E為材料的楊氏模量）。這種尖端新型材料的強度比現(xiàn)有超強鎂合金晶體材料高出十倍！變形能力較鎂基金屬玻璃高兩倍，并可發(fā)展成為生物降解植入材料。然而，其制備方法的苛刻與復雜性往往限制了其實際應用。8第8頁/共20頁 鎂基復合材料的制備技術目前國內(nèi)外鎂基復合材料的制備方法主要包括粉末冶金法、半粉末冶金法、攬拌鑄造法、預制塊半固態(tài)攬拌鑄造法、烙體分解沉積法、多道次攬拌摩擦加工法和化學氣相沉積法等。這些方法均可歸納為固相法、液相法、半固態(tài)法和大塑性變形法這四種類型。1.固相法粉末冶金法是近年來工業(yè)生產(chǎn)常用的固相法制備復合材料的方法之一，至今

8、己發(fā)展的相當成熟。粉末冶金法的主要工藝包括：混料、冷壓成型、燒結致密化及后處理。粉末冶金法的主要優(yōu)點：通過調(diào)節(jié)制備工藝可使增強體均勻分布；由于成型溫度比基體的烙點低，故不會產(chǎn)生過量的界面反應；可完成高含量増強體的添加，對復合材料的成分進行自由設計。但是也存在以下缺陷：比如生產(chǎn)周期較長，過程較復雜，也存在模具和粉體爆炸的危險。9第9頁/共20頁 鎂基復合材料的制備技術2.液相法液相法是利用材料從液態(tài)到固態(tài)相變進行成型的一種方法，此方法需要將材料加熱至全液態(tài)。目前常用的液相法主要包括攬拌鑄造法和烙體分解沉積法。缺點，適用于熔點較低的金屬合金。3.半固態(tài)法半固態(tài)法是將材料加熱至固相線和液相線之間，在

9、半固態(tài)溫度加入增強體的方法。增強體受到摩擦和阻礙，避免其漂浮于烙體之上，并可通過機械攬拌獲得較均勻地分散。4.大塑性變形法大塑性變形法使材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，其平均晶粒尺寸一般在100nm左右。復合材料經(jīng)過大塑性變形之后，其晶粒細小且性能優(yōu)異。大塑性變形法主要包括等徑角擠壓（）、高壓扭轉(zhuǎn)變形法（）、大扭轉(zhuǎn)應變過程技術（）和多道次攬拌摩擦加工技術。10第10頁/共20頁 實驗室制備復合材料及試驗方法基體原料為 AZ91鎂合金粉，粒徑10100 um；其化學成分（質(zhì) 量 分 數(shù) ） 為 9.5Al， 0.8Zn ，0.4Mn ，0.08其他元素，余 。增強相材料分別為多層 氧化石墨烯（ MGO）

10、和多層石墨烯納米片（ GNS ）11第11頁/共20頁將粉末置于模具中壓制成型，燒結熱擠壓，12mm 的石墨烯增強 AZ91鎂基復合材料（簡稱 MGO /AZ91復合材料）采用相同的工藝制備AZ91鎂合金、GNZ /AZ91復合粉及復合材料稱取0.1氧化石墨烯溶于200ML乙醇中真空下稱取99.9g鎂鋁合金粉末混入100ML乙醇中機械攪拌均勻?qū)⑹┑稳腈V鋁混合液中，并繼續(xù)機械攪拌，升溫80，加速乙醇揮發(fā)，干燥，已得到混合均勻的復合粉試驗方法12第12頁/共20頁由表看出， MGO (氧化石墨烯)/AZ91復合材料的屈服強度、抗拉強度、伸長率和顯微硬度最大，分別為224.85MPa ， 268

11、.89MPa ， 伸長率8.15%、顯微硬度70.14，比不添加石墨烯的AZ91鎂合金的分 別 提 高 了 39.7 ， 21.6 ， 35.4 ， 31.8，與GNS（石墨烯納米片）/AZ91復合材料（添加石墨烯納米片的AZ91鎂合金）相比，其性能也是比較優(yōu)越。一、性能測試結果13第13頁/共20頁此表是將GNPs（石墨烯納米片）/AZ91復合材料與相同工藝條件下制備的 CNTs/AZ91和 MgO -CNTs/AZ91復合材料的力學性能進行了對比。GNS/AZ91 復 合 材 料 的 力 學 性 能 和 CNTs /AZ91（碳納米管）復合材料相當。當加入1.0包覆 MgO碳納米管增強的

12、復合材料，其屈服強度、抗拉強度和硬度差距也不是很明顯。這說明，與 CNTs相比，在作為鎂合金增強相時，添加少量 GNPs（石墨烯納米片）的復合材料強度和硬度提升較明顯。14二、性能測試結果第14頁/共20頁 AZ91 鎂合金及其復合材料的拉伸斷口形貌和 EDS 譜15第15頁/共20頁 結論：氧化石墨烯增強 AZ91 鎂基復合材料的屈服強度、伸長率和顯微硬度分別為 224.85 MPa ，8.15%和70.14HV ，比 AZ91鎂合金基體的分別提高了39.7% ， 35.4%和31.8%；而以石墨烯納米片為增強相時復合材料的屈服強度、伸長率和顯微硬度分別為191.86 MPa ， 6.72和

13、60.42HV ，比基體的僅提高了 18.7 ， 9.9 和 13.5 ；氧化石墨烯上的含氧官能團與鎂合金基體發(fā)生界面反應生成了MgO，有利于提高石墨烯與鎂合金基體的界面結合強度。 通過以上兩組實驗對比，氧化石墨烯增強鎂基復合材料無論在屈服強度抗拉強度，伸長率以及硬度上都是最好的。16第16頁/共20頁 1.由于鎂本身的化學性質(zhì)較活潑，很容易在制備過程中發(fā)生化學反應，因此對于以鎂或鎂合金作為基體的復合材料而言，應嚴格控制制備過程中的工藝參數(shù)，防止界面處的不良反應。2.目前，由于鎂及鎂合金存在強度低、模量小、塑性差和易腐性等缺點鎂基復合材料的制備工藝還有待于改進和完善，其準確的復合機理、界面處的強化機制等建設性的研究還不是相當全面。3.CNTs和GNPs增強鎮(zhèn)基復合材料制備過程中面臨兩個最大的挑戰(zhàn)： aCNTs、GNPs的均勻分散；bCNTs、GNPs與基體的潤濕性較差。由于CNTs、GNPs的比表面積較大，表面能較高，因此