鎂基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究.pdf

1、隨著人們對(duì)材料強(qiáng)度和節(jié)能降耗要求的不斷提高,輕金屬元素鎂及鎂基復(fù)合材料在航空航天和汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用引起研究人員的極大關(guān)。納米顆粒(如 SiC、Cu、Al2O3、CNTs)及其混合物增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料得到廣泛研究以期獲得最優(yōu)的強(qiáng)度,但對(duì)其高比強(qiáng)度的研究還不深入,需進(jìn)一步研究。
　　本實(shí)驗(yàn),采用石墨烯納米片做增強(qiáng)相顆粒來(lái)提高鎂基復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度,此外,也探索了金屬-石墨烯、金屬-金屬?gòu)?fù)合強(qiáng)化顆粒的添加對(duì)純鎂顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)

2、發(fā)現(xiàn)石墨烯納米片與少量鋁顆粒復(fù)合添加可使石墨烯和鎂基體界面結(jié)合良好。主要內(nèi)容總結(jié)如下:
　　首先研究了單獨(dú)添加石墨烯納米片對(duì)純鎂的影響,試驗(yàn)表明,石墨烯納米片的加入可提升純鎂的抗拉強(qiáng)度,但塑性會(huì)有所降低。雖然石墨烯納米片可強(qiáng)化鎂基體,但強(qiáng)度提升幅度不大,其原因在于石墨烯納米片與鎂基體的界面結(jié)合效果不佳。然而少量鋁的加入可有效改善石墨烯與鎂基體的結(jié)合,當(dāng)鋁含量保持在1.0wt％,石墨烯納米片含量為0.09~0.3wt％,0.3％,復(fù)

3、合材料的抗拉強(qiáng)度和塑性均增加,這是因?yàn)樵絹?lái)越多的石墨烯納米片位向與擠壓方向趨于一致,從而達(dá)到阻礙基體斷裂的效果。另一方面,當(dāng)石墨烯納米片含量維持在0.18wt％,鋁顆粒含量為0.5％~1.0wt％時(shí),復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和塑性也同時(shí)增加。復(fù)合材料機(jī)械強(qiáng)度的提高,可用基本的強(qiáng)化機(jī)制解釋,即強(qiáng)化相與基體熱膨脹系數(shù)的不同, Orowan環(huán)及載荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。
　　第二,研究了符合添加石墨烯和碳納米管對(duì)鎂基體的強(qiáng)化作用。對(duì)于只添加石墨烯納米片或

4、多壁碳納米管強(qiáng)化復(fù)合材料,石墨烯納米片-碳納米管-鋁顆?；旌咸砑訌?qiáng)化復(fù)合材料具有更高的拉伸失效應(yīng)變,拉伸失效應(yīng)變(％)的顯著增加說(shuō)明石墨烯納米片和多壁碳納米管對(duì)鎂基體的協(xié)同強(qiáng)化作用效果明顯,原因如下:(a)一維多壁碳納米管的引入阻礙了二維石墨烯納米片的快速聚集。(b)基體中即軟又長(zhǎng)的多壁碳納米管橋接相鄰的石墨烯納米片形成三維復(fù)合結(jié)構(gòu),從而阻擋了它們的聚集,使得碳納米管+石墨烯納米片復(fù)合結(jié)構(gòu)與基體的接觸面積增大。
　　第三,研究了添

5、加石墨烯納米片對(duì)Mg-10Ti合金力學(xué)性能的影響,室溫拉伸結(jié)果表明,鈦和鈦-石墨烯納米片復(fù)合加入鎂基體,復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變均增加。此外,還研究了銅-石墨烯納米片復(fù)合添加對(duì)純鎂力學(xué)性能的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銅含量保持在1.0wt％,石墨烯納米片含量為0.18％~0.36wt％,材料強(qiáng)度和失效應(yīng)變隨之增加,然而,由于 GNPs的團(tuán)聚,當(dāng) GNPs的含量從0.36％增加到0.54％時(shí),失效應(yīng)變逐漸下降。當(dāng)繼續(xù)增加其含量時(shí),由于石墨烯納米片

6、的團(tuán)聚,失效應(yīng)變逐漸下降,直到石墨烯納米片含量增加到0.54wt％。
　　第四,采用粉末冶金法,研究了石墨烯納米片對(duì)Mg-1Al-Sn合金拉伸強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)表明,向Mg-1Al-Sn合金中加入0.18wt％的石墨烯納米片,合金抗拉強(qiáng)度提高塑性降低。,復(fù)合材料強(qiáng)度的提升可由基本的強(qiáng)化機(jī)制解釋。
　　第五,研究了不同金屬混合顆粒的添加對(duì)純鎂的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)合添加10wt％Ti和10％Ti-1％Al顆粒時(shí),Al元素對(duì)Ti顆粒

7、與Mg基體界面結(jié)合的改善, Mg基復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑形均得到提高。此外,也研究了復(fù)合添加Al、Cu顆粒對(duì)鎂基體的影響,發(fā)現(xiàn)Cu顆粒在Mg基體中彌散分布,因此,當(dāng)1.0 wt.％ Al-0.6 wt.％Cu顆?；旌咸砑訒r(shí),可同時(shí)提升材料強(qiáng)度和塑性。另一方面,當(dāng) Cu含量保持不變,Al含量從1％增加到9％,復(fù)合材料的硬度、抗拉和抗壓強(qiáng)度均有所提高。當(dāng) Al含量在3wt.％以下時(shí),隨 Al含量的增加,材料拉伸失效應(yīng)變相應(yīng)增大。當(dāng)復(fù)合材料中 A