【摘 要】
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搅拌铸造法因其成本低、操作过程简单、产量大等优点,被认为是实现石墨烯增强铝基复合材料大批量生产的突破口。然而,由于石墨烯与铝液之间的浸润性差、密度失配,将其直接添加到铝液中时,石墨烯容易浮于铝液表面,难以分散到基体中。此外,石墨烯与铝的表面张力差异较大,两者之间难以形成良好的界面结合,以致复合材料的强化效率和延伸率较差。因此,探索新的石墨烯制备工艺以改善石墨烯与铝液之间的浸润性,实现搅拌铸造法制备
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搅拌铸造法因其成本低、操作过程简单、产量大等优点,被认为是实现石墨烯增强铝基复合材料大批量生产的突破口。然而,由于石墨烯与铝液之间的浸润性差、密度失配,将其直接添加到铝液中时,石墨烯容易浮于铝液表面,难以分散到基体中。此外,石墨烯与铝的表面张力差异较大,两者之间难以形成良好的界面结合,以致复合材料的强化效率和延伸率较差。因此,探索新的石墨烯制备工艺以改善石墨烯与铝液之间的浸润性,实现搅拌铸造法制备石墨烯增强铝基复合材料,对该新型材料早日实现在工业领域中的应用具有重要意义。本文结合盐模板与喷雾干燥法原位合成了表面均匀包覆铜纳米颗粒的石墨烯纳米片（Cu nanoparticles coated graphene nanoplatelets,Cu-NPs@GNPs）,在此基础上采用搅拌铸造工艺制备了Cu-NPs@GNPs/Al-10Si复合材料。研究了Cu-NPs@GNPs前驱体配料比对石墨烯质量和形貌的影响;探讨了熔炼搅拌参数对复合材料力学性能的影响;研究了Cu-NPs@GNPs复合增强体对复合材料组织和力学性能的影响,讨论了铜纳米颗粒和石墨烯对铝合金基体的强化机制。结果表明:Cu-NPs@GNPs前驱体的配料比与含水量对石墨烯的质量有显著影响,优化工艺参数可以实现稳定高效地制备高质量Cu-NPs@GNPs;变速球磨工艺可将Cu-NPs@GNPs均匀分散于铝粉中,利用铝-石墨烯复合粉末制成的预制块可以在熔炼过程中有效地将Cu-NPs@GNPs加入到铝硅合金中;熔炼阶段的搅拌时间对Cu-NPs@GNPs在铝硅基体中的分散效果具有重要影响,进而影响复合材料的力学性能;GNPs对硅和α-Al枝晶具有细化作用;包覆的Cu-NPs不仅可以减少GNPs与基体之间的密度差异进而有效抑制GNPs在熔炼过程中出现上浮,而且Cu与Al在Al/GNPs界面上发生化合反应生成Al2Cu,有助于改善GNPs与Al的浸润性,强化Al/GNPs界面结合,同时保护GNPs的结构。经工艺优化后,0.5 wt.%Cu-NPs@GNPs/Al-10Si复合材料的抗拉强度达251 MPa,比Al-10Si纯基体提高45%,延伸率保持在15%。
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