石墨烯-Al復(fù)合材料力學(xué)性能及模擬研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、本文以石墨烯/Al復(fù)合材料為對象,采用實驗制備與有限元模擬相結(jié)合的方法研究了石墨烯、孔隙等因素對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。在實驗方面,采用乙醇溶液分散和球磨兩步法制備了石墨烯/Al復(fù)合粉體,并通過粉末冶金方法制備了0.5vol%、1vol%和2vol%的石墨烯/Al復(fù)合材料。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線衍射儀(XRD)、電子萬能實驗機(jī)和顯微維氏硬度計等手段,分析了復(fù)合粉體混合前后形貌,研究了石墨烯添加量對復(fù)

2、合材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能的影響。在有限元模擬方面,探索了石墨烯體積分?jǐn)?shù)、尺寸、分布形態(tài)及形貌等因素對石墨烯/Al復(fù)合材料力學(xué)行為的影響,并模擬了孔隙度、孔隙孔徑及孔隙形狀等因素對復(fù)合材料力學(xué)行為的影響,開展了模擬預(yù)測與實驗結(jié)果相關(guān)分析。
  實驗研究表明,采用兩步法制備,石墨烯團(tuán)聚現(xiàn)象消失,石墨烯和Al粉混合均勻,制備的石墨烯/Al復(fù)合材料致密,孔隙度較小,石墨烯呈片狀分布在Al基體,部分石墨烯嵌入孔洞,復(fù)合材料只有輕微氧化,

3、無Al2O3和Al4C3脆性相生成,復(fù)合材料具有韌性斷裂特征。力學(xué)性能研究表明,石墨烯體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能有重要影響。隨著石墨烯體積分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和顯微硬度都增大。石墨烯體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加至2%,復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度從139MPa增加至215MPa,抗壓強(qiáng)度從297.35MPa增加至647.34MPa,顯微硬度從72HV增加至85.62HV,但當(dāng)石墨烯體積分?jǐn)?shù)為1%時,復(fù)合材料不僅具有較高的拉伸強(qiáng)度,還

4、具有好的塑性,綜合力學(xué)性能較好。
  在有限元分析方面,建立了兩顆粒單胞數(shù)值模型,對拉伸條件下的不同復(fù)合材料應(yīng)力場、應(yīng)變場進(jìn)行了有限元模擬。模擬結(jié)果表明,沿著拉伸方向的應(yīng)力,增強(qiáng)體遠(yuǎn)高于基體。增強(qiáng)體頂端附近基體應(yīng)力集中,應(yīng)變較大,并沿拉伸方向成45°方向擴(kuò)展,增強(qiáng)體兩側(cè)基體應(yīng)力較小,應(yīng)變較小。增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)、尺寸、分布形態(tài)和形狀對石墨烯/Al復(fù)合材料力學(xué)行為有影響。增強(qiáng)體中的應(yīng)力隨著體積分?jǐn)?shù)的增大而略有升高,基體中的應(yīng)力逐漸減小。

5、增強(qiáng)體尺寸對位錯強(qiáng)化有重要影響,但對載荷傳遞強(qiáng)化影響不大。當(dāng)增強(qiáng)體相對夾角?=30°時,復(fù)合材料界面脫離和基體開裂的危險性相比其他分布形態(tài)較小。增強(qiáng)體形狀為方形時,基體中的應(yīng)力相對較大,棱角處有較大塑性變形,復(fù)合材料整體力學(xué)性能較差??紫兜拇嬖谟绊憦?fù)合材料基體中應(yīng)力的分布,沿著拉伸方向,孔隙上下端附近基體應(yīng)力較小,而孔隙兩側(cè)出現(xiàn)較大的應(yīng)力,是潛在的裂紋源??紫抖?、孔徑和孔隙形狀等因素對復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變分布有影響??紫抖仍礁撸紫毒奂瘍A

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