石墨烯增强铝基复合材料的制备及力学性能研究

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石墨烯因其具有非常优异的物理性能和机械性能,被认为是最理想的金属基复合材料增强体。然而石墨烯在金属基体中非常容易发生团聚,已成为制约石墨烯增强金属基复合材料发展的关键因素。因此寻求一种新的制备技术是发展石墨烯增强金属基复合材料的关键。本文首先采用Hummers制备含有大量负电荷的氧化石墨烯(grapheneoxide,GO),然后使用阳离子表面活性剂处理铝粉使其表面带有正电荷,并以静电自组装的方式将氧化石墨烯均匀的吸附在铝粉表面。最后采用热压烧结的方法制备了石墨烯增强铝基复合材料。利用金相显微镜、X射线衍射和扫描电镜等方法研究了石墨烯在复合材料中的分散情况和不同活性剂使用量和石墨烯添加量对复合材料的组织,结构和性能的影响。Hummers法对原始石墨进行了有效的剥离,制得的氧化石墨烯层数较少。并且氧化石墨烯上存在大量的含氧基团,使得氧化石墨烯带有很强的负电荷。将其与表面处理后带正电的铝粉通过静电自组装混合后,氧化石墨烯可以均匀的吸附在铝粉表面,且没有明显的团聚现象发生,实现了石墨烯的均匀分散。表面活性剂的使用量对复合材料的组织和力学性能的影响非常显著,当活性剂用量为5wt.%时,热压烧结过程中会有大量的活性剂残留在铝粉颗粒边界处,形成较厚的碳层,使铝粉之间的烧结性能下降,相比于活性剂使用量为1wt.%时其抗拉强度降低了50%,但是硬度略有提高。复合材料的硬度和抗拉强度随着石墨烯的含量增加,呈现出先增加后减少的趋势,石墨烯的添加量为0.3wt.%时其力学性能达到最佳,相比于纯铝其抗拉强度提高了22%,硬度提高了30%。随着石墨烯含量的增加,复合材料的断口形貌主要表现出脆性断裂和韧性断裂相结合的特征,其延伸率持续下降,石墨烯主要分布在复合材料的界面处,呈现出明显的拔出和断裂状态。
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