【摘 要】
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石墨烯增强铝基复合材料是目前研究热度最高的铝基复合材料之一,但其工业化应用问题一直困扰着研究者们。国内外关于石墨烯对铝基复合材料力学、导热等综合性能的提升研究报道较少,并且对于工业化的制备工艺也少有人涉足。本文以熔融铸造法制备具有高强高导性能的石墨烯增强铝基复合材料。相比于常规的熔融铸造法,本文采用球磨混粉后先压制预制块再铸造的新型制备工艺,通过将石墨烯与纯铝粉体预先压制预制块的方法将石墨烯引入到
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石墨烯增强铝基复合材料是目前研究热度最高的铝基复合材料之一,但其工业化应用问题一直困扰着研究者们。国内外关于石墨烯对铝基复合材料力学、导热等综合性能的提升研究报道较少,并且对于工业化的制备工艺也少有人涉足。本文以熔融铸造法制备具有高强高导性能的石墨烯增强铝基复合材料。相比于常规的熔融铸造法,本文采用球磨混粉后先压制预制块再铸造的新型制备工艺,通过将石墨烯与纯铝粉体预先压制预制块的方法将石墨烯引入到铝合金基体中,成功制备出石墨烯增强铝基复合材料。本文主要研究了预制块的制备工艺、新型石墨烯增强铝基复合材料制备工艺在不同凝固特性铝基体中的可行性,而后再制备高强高导性能的Al-Si系石墨烯复合材料,探索了石墨烯以及石墨烯添加量对复合材料的组织性能影响。主要研究内容及结论如下:（1）探索铝-石墨烯预制块制备工艺。当预制块压制参数为10kN-20s时,石墨烯结构保持良好,与纯铝粉混合均匀且熔解效率最高。（2）探索新型熔融铸造法在两种凝固特性差异较大的铝合金体系中制备石墨烯增强铝基复合材料的可行性。复合材料长250mm,宽100mm,高20mm。石墨烯在基体中多呈黑色点状相并能保持单质形态。（3）通过本工艺成功制备Al-9%Si-1%Cu-0.25%Mg-xGNPs复合材料。复合材料的显微硬度、导电性能、导热性能均随着石墨烯含量的增加呈正相关增长,拉伸性能随石墨烯含量的增加先上升后下降。经固溶480℃-6h+530℃-4h时效170℃-8h、0.2%GNPs含量的复合材料获得最优的综合性能匹配,其中显微硬度提升了 48.6%;最大抗拉强度提升了 1.8%;屈服强度提升了 8.3%;断后延伸率为6.2%;导热性能提升了 25.8%;导电性能提高了 29.8%。本工艺的实施成功实现了 Al-Si-Cu-Mg-xGNPs复合材料力学与导热性能的协同提高。（4）分析了 GNP/Al-Si-Cu-Mg铝基复合材料的力学性能提升机制。主要有两个方面:一:析出强化机制。在T6热处理后,合金基体中析出的θ’相对于力学性能有明显的强化作用;二:石墨烯的第二相强化机制。石墨烯因自身优异的力学性质有助于载荷的传递;在铝基复合材料中均匀分散的石墨烯相可作为第二相,能有效阻碍位错的运动,有助于力学性能的提升。（5）分析了 GNP/Al-Si-Cu-Mg铝基复合材料的导热性能提升机制。石墨烯以声子传热为主,而铝基体以自由电子传热为主,石墨烯在铝基体内部的均匀分散有助于石墨烯-铝两相形成良好的热传导网络结构,促进了复合材料内的热量传递,从而显著提高复合材料的热导率。
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