石墨烯复合材料应用最新研究进展

基于石墨烯的复合材料的制备及其在储能器件中的应用研究共3篇基于石墨烯的复合材料的制备及其在储能器件中的应用研究1基于石墨烯的复合材料的制备及其在储能器件中的应用研究随着人们对能源需求的增加和全球环境问题的日益加剧，储能技术逐渐成为了热门的研究领域。

其中，基于石墨烯的复合材料的制备及其在储能器件中的应用受到了广泛关注。

石墨烯是一种薄而坚硬的材料，它由单层碳原子组成。

石墨烯的特殊结构和优异性能使其在材料组合中展现出了无限的应用前景。

最近的研究表明，将石墨烯与其他材料结合起来可以显著提高其储能性能。

因此，制备基于石墨烯的复合材料已成为研究的重点。

基于石墨烯的复合材料的制备通常采用化学氧化法、还原法、溶剂剥离法等方法。

其中，化学氧化法是最常见的制备方法之一。

通过将石墨烯与某些化合物反应来实现对石墨烯的氧化，进而产生氧化石墨烯（GO）。

随后，将氧化石墨烯还原成石墨烯（rGO）并与其他材料组合制备成多层石墨烯复合材料。

在储能器件的应用中，基于石墨烯的复合材料已经被证明是一种具有潜力的电极材料。

石墨烯具有良好的导电性和纳米级的厚度，使得它可以高效的将电子导入储能器件中。

同时，它的高比表面积和良好的可调性也使得基于石墨烯的复合材料在储能器件中具有良好的性能。

例如，将石墨烯与氧化钴结合可以制备出具有良好电容性能的电极材料。

相比于传统的电极材料，基于石墨烯的复合材料能够实现更高的能量密度和更长的使用寿命。

此外，将石墨烯与其他材料复合还可以拓宽其应用范围。

例如，基于石墨烯的锂离子电池和钠离子电池电极材料也正在被研究和开发。

此外，基于石墨烯的复合材料在太阳能电池中也展示了良好的性能。

总之，基于石墨烯的复合材料的制备及其在储能器件中的应用是一个具有前途的研究领域。

未来的研究将致力于进一步优化复合材料的结构和性能，并深入挖掘其应用潜力基于石墨烯的复合材料在储能器件中具有良好的性能，拥有更高的能量密度和更长的使用寿命。

其制备方法多样且成熟，同时，将石墨烯与其他材料复合使其应用范围更加广泛。

石墨烯增强铝基复合材料的研究进展1. 引言1.1 石墨烯增强铝基复合材料的研究背景石墨烯是一种二维晶格结构的碳原子薄膜，由于其独特的物理、化学和力学性质，被认为是一种具有巨大潜力的新型材料。

石墨烯具有极高的导热性、机械强度和化学稳定性，因此在材料科学领域备受关注。

铝及其合金由于具有较低的密度和良好的加工性能，在航空航天、汽车工业等领域有着广泛的应用。

传统铝材料在强度和硬度方面存在一定局限性。

为了克服传统铝材料的缺点，研究者们开始探索引入石墨烯来增强铝基复合材料。

石墨烯的加入不仅可以提高复合材料的力学性能，还可以优化其导热和电导特性。

石墨烯增强铝基复合材料成为当前研究的热点之一。

通过将石墨烯与铝基材料进行复合，可以有效提高材料的强度、硬度和耐磨性，同时减轻材料的重量，提高材料的导热性能。

石墨烯增强铝基复合材料被认为具有广阔的应用前景，对于推动材料科学领域的发展具有重要意义。

【字数：220】1.2 石墨烯在材料科学中的应用潜力1. 电子器件：石墨烯具有优异的电子输运性能，高载流子迁移率和高电导率，使其成为理想的电子器件材料。

石墨烯可以应用于场效应晶体管、光电探测器、透明导电膜等领域，为电子器件的性能提升提供了新的可能性。

3. 柔性电子：由于石墨烯的柔韧性和透明性，可将其应用于柔性电子领域，如柔性显示器、柔性传感器、可穿戴设备等。

石墨烯材料的应用为柔性电子产品带来了更广阔的发展空间。

石墨烯在材料科学中的应用潜力巨大，其优异的性能和特殊的结构使得其可以在多个领域发挥重要作用，推动材料科学的发展和创新。

对石墨烯的研究不仅有助于拓展其应用领域，还将促进整个材料科学领域的进步和发展。

2. 正文2.1 石墨烯增强铝基复合材料的制备方法石墨烯增强铝基复合材料的制备方法主要包括机械合金化、粉末冶金、湿法涂覆、化学气相沉积以及熔体混合等几种方法。

机械合金化是其中一种常用的方法，通过球磨或挤压将石墨烯与铝粉进行混合，使二者在微观层面有所聚集和弥散，从而增加界面结合强度。

石墨烯的应用现状及发展石墨烯是一种全新的材料，由单层碳原子以二维晶格排列而成。

其结构独特，具有许多优异的物理性质，包括高导电性、高热导性、高强度、柔韧性和透明性等。

自2004年石墨烯被首次发现以来，其在各领域的应用潜力被广泛关注和研究。

本文将从石墨烯的应用现状和未来发展方向两个方面，探讨石墨烯材料的前景与挑战。

石墨烯的应用现状1. 电子学领域由于石墨烯具有出色的导电性能，因此在电子学领域有着广泛的应用前景。

石墨烯可以作为高性能晶体管的材料，用于制造更小、更快的电子设备。

石墨烯还可以用于制造柔性电子产品，如可弯曲显示屏、智能穿戴设备等。

在电池领域，石墨烯的高导电性和高比表面积可以显著提高电池的充放电效率和储能密度。

2. 光电子学领域石墨烯具有极高的光透过率和光吸收率，因此可以用于制造高性能的光电器件。

石墨烯透明导电膜可以应用于太阳能电池、光电探测器、光电显示器等器件中。

石墨烯的独特光学性质还使其成为制备超薄光学元件的理想材料，如超薄透镜、纳米光栅等。

3. 材料领域石墨烯具有极高的强度和韧性，可以制备出各种高性能的复合材料。

这些复合材料具有优异的力学性能和导电性能，在航空航天、汽车制造、建筑材料等领域有着广泛的应用前景。

石墨烯还可以用于制备高性能的防腐涂料、抗静电材料等。

4. 生物医学领域石墨烯具有良好的生物相容性和生物活性，可以用于制备生物传感器、药物载体、组织工程支架等生物医学器件。

研究表明，石墨烯及其衍生物在癌症治疗、基因传递、细胞成像等方面具有巨大的潜力。

石墨烯的发展趋势1. 大规模制备技术目前，石墨烯的大规模制备技术仍是一个世界性难题。

传统的机械剥离法和化学气相沉积法虽然可以制备出高质量的石墨烯样品，但是成本高、产量低，无法满足广泛应用的需求。

发展低成本、高效率的石墨烯大规模制备技术是当前的重点研究方向。

2. 功能化修饰技术石墨烯的很多优异性能是由其特殊的二维结构所决定的，但是这也使得石墨烯在某些方面表现出一定的局限性，比如化学稳定性差、易团聚等。

石墨烯复合材料研究进展摘要：近年来石墨烯因其优良的力学、电学、热学和光学等特性, 且添加到基体材料中可以提高复合材料的性能，拓展其功能，因此石墨烯复合材料的制备成为研究热点之一。

本文介绍了国内外对石墨烯复合材料的研究，对石墨烯复合材料的研究进展及现状进行了详细的介绍，并对石墨烯复合材料的发展趋势进行了展望。

关键词：石墨烯；复合材料；研究进展一、引言石墨烯因其优异的物理性能和可修饰性, 受到国内外学者的广泛关注。

石墨烯的杨氏模量高达1TPa、断裂强度高达130GPa，是目前已知的强度性能最高的材料，同时是目前发现电阻率最小的材料, 只有约10-8Ω·m；拥有很高的电子迁移率，且具有较高的导热系数。

氧化石墨烯作为石墨烯的重要派生物，氧化石墨烯薄片在剪切力作用下很容易平行排列于复合材料中, 从而提高复合材料的性能。

本文总结介绍了几种常见的石墨烯复合材料。

二、石墨烯复合材料（1）石墨烯及氧化石墨烯复合材料膜聚乙烯醇（PVA）结构中有非常多的羟基，因此其能与水相互溶解，溶解效果很好。

GO和PVA都可以在溶液中形成均匀、稳定的分散体系。

干燥成型后，GO在PVA中的分散可以达到分子水平，GO表面丰富的含氧官能团可以与PVA的羟基形成氢键，因此添加少量的GO可以显著提高复合材料的力学性能。

樊志敏[1]等制备出了氧化石墨烯纳米带/TPU复合膜。

通过机械测试显示，当加入氧化石墨烯纳米带的量为2%时，复合薄膜的弹性模量和抗拉强度与不加氧化石墨烯纳米带的纯TPU薄膜相比都得到了非常大的提高，分别提高了160%和123%。

马国富[2]等人发现，在聚乙烯醇（PVA）和氧化石墨烯（GO）复合制备的得复合薄膜中，GO均匀的分散在PVA溶液中，PVA的羟基与GO表面的含氧基团发生相互作用复合而不分相。

加入GO之后，大大提高了复合膜的热稳定性，当加入的GO量为3%时，纳米复合膜力学性能测试出现最大值，此时断裂伸长率也出现了最大值，这表明在此GO含量时复合膜有最佳性能；与不加GO的纯PVA膜相比，当加入的GO量为3%时，耐水性也大大地提高。

石墨烯增强铝基复合材料的研究进展石墨烯增强铝基复合材料的制备方法主要有湿法悬浮液制备、机械合金法和浸涂法等。

湿法悬浮液制备是通过在铝基复合材料悬浮液中加入石墨烯来制备的，可以获得高度均匀的石墨烯分散体系，但是制备工艺相对复杂。

机械合金法是通过高能球磨、热压等方法将石墨烯与铝粉混合制备的，可以获得较高的石墨烯含量，但是制备工艺相对耗能。

浸涂法是将石墨烯溶液浸渍在铝基材料上制备的，可以获得均匀一致的石墨烯涂层，但是石墨烯含量较低。

石墨烯增强铝基复合材料的力学性能主要通过石墨烯增强效应和界面反应效应来提高。

石墨烯具有优异的力学性能，可以有效增强铝基复合材料的强度和刚度，提高材料的抗拉强度、屈服强度和硬度等。

石墨烯与铝基材料之间存在界面反应效应，可以有效增强两者之间的结合强度，提高材料的力学性能。

石墨烯增强铝基复合材料的导电性能主要通过石墨烯的导电性来提高。

石墨烯具有高导电性能和低电阻率，可以使得铝基复合材料具有优良的导电性能。

石墨烯增强铝基复合材料可以应用于导电材料领域，例如电池集电极、导电接触材料等。

石墨烯增强铝基复合材料的研究进展已经取得了一定的成果。

一方面，研究人员通过不断优化制备工艺，提高石墨烯的分散度和含量，从而获得更好的力学性能和导电性能。

通过优化湿法悬浮液制备工艺，可以获得更好的石墨烯分散性和相互作用性，提高材料的力学性能；通过优化机械合金法制备工艺，可以获得更高的石墨烯含量，提高材料的导电性能。

研究人员还对石墨烯增强铝基复合材料的性能进行了深入研究。

通过力学性能测试和电学性能测试等方法，研究了石墨烯增强铝基复合材料力学性能和导电性能的变化规律，为进一步优化材料的性能提供了理论基础。

石墨烯增强铝基复合材料具有广阔的应用前景，在结构材料、导电材料等方面具有重要的研究价值。

通过不断深入研究石墨烯增强铝基复合材料的制备方法和性能调控机制，可以进一步提高材料的力学性能和导电性能，推动其在实际应用中的广泛应用。

石墨烯复合材料应用研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维晶体材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，便以其独特的物理、化学和电子性能，引发了全球范围内的研究热潮。

石墨烯具有出色的电导性、热导性、力学性能和化学稳定性，因此在诸多领域具有广阔的应用前景。

随着科技的进步，石墨烯已不再是单一使用的材料，而是逐渐与其他材料复合，形成石墨烯复合材料，以进一步拓展其应用范围和提升性能。

本文旨在对石墨烯复合材料的应用研究进展进行系统的梳理和总结。

我们将首先概述石墨烯及其复合材料的基本性质，然后分析石墨烯复合材料在能源、环境、生物医学、电子信息等领域的最新研究进展，探讨其实际应用中所面临的挑战和解决方案。

通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个全面而深入的了解石墨烯复合材料应用研究的平台，为未来的科研工作和产业发展提供有益的参考。

二、石墨烯复合材料的制备方法石墨烯复合材料因其独特的物理化学性质，在能源、环境、生物医学等领域展现出广阔的应用前景。

而制备方法的选择和优化对于实现石墨烯复合材料的优良性能和应用潜力至关重要。

目前，石墨烯复合材料的制备方法主要包括溶液混合法、原位生长法、熔融共混法以及气相沉积法等。

溶液混合法是最常见且简单的制备石墨烯复合材料的方法之一。

通过将石墨烯粉末或溶液与基体材料溶液混合，再利用超声、搅拌等手段使其均匀分散，最后通过干燥、热处理等步骤得到复合材料。

这种方法操作简单，但需要注意的是石墨烯在溶液中的分散性和稳定性。

原位生长法是通过在基体材料表面或内部直接生长石墨烯纳米片的方法。

通常利用化学气相沉积（CVD）或热解等方法，在基体材料表面引入碳源，在高温条件下使其分解并生成石墨烯。

这种方法制备的石墨烯与基体材料结合紧密，但制备过程相对复杂，成本较高。

熔融共混法是将石墨烯与熔融状态的基体材料混合，通过剪切力使石墨烯均匀分散在基体材料中。

这种方法适用于高温熔融的聚合物基体材料，制备得到的石墨烯复合材料具有较好的机械性能和热稳定性。

㊀第43卷㊀第3期2024年3月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.3Mar.2024收稿日期:2023-06-13㊀㊀修回日期:2023-11-12基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2023CX 01021);国家自然科学基金资助项目(52301186)第一作者:穆啸楠,男,1991年生,副研究员,硕士生导师通讯作者:张洪梅,女,1979年生,教授,博士生导师,Email:zhanghm@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202306010石墨烯增强钛基复合材料研究进展穆啸楠1,2,张洪梅1,2,王㊀宇1,2(1.北京理工大学材料学院,北京100081)(2.冲击环境材料技术国家级重点实验室,北京100081)摘㊀要:非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)具有高比强度㊁低密度㊁优异的耐蚀性等诸多特性,在航空航天㊁国防工业㊁交通运输等领域具有广泛的应用前景㊂石墨烯具有良好的本征物理和力学性能,是近年来的二维碳纳米 明星 材料,被视为极具潜力的DRTMCs 纳米增强体㊂国内外研究者聚焦DRTMCs 设计与制备,突破了低温快速成型和界面改性等关键技术,初步实现了界面精细调控和微观构型,获得石墨烯在钛基体中的本征增强,制备出强塑性匹配较好的DRTMCs㊂简要综述近些年来石墨烯增强钛基复合材料的设计方法和制备工艺,探讨界面反应㊁界面结构㊁微观构型等关键因素对复合材料力学性能和失效机制的影响规律,并提出石墨烯增强钛基复合材料未来的发展方向㊂关键词:石墨烯;钛基复合材料;制备方法;界面设计;力学行为中图分类号:TB333.1+2㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)03-0212-10引用格式:穆啸楠,张洪梅,王宇.石墨烯增强钛基复合材料研究进展[J].中国材料进展,2024,43(3):212-221.MU X N,ZHANG H M,WANG Y.Progress on Graphene Reinforced Titanium Matrix Composites[J].Materials China,2024,43(3):212-221.Progress on Graphene Reinforced TitaniumMatrix CompositesMU Xiaonan1,2,ZHANG Hongmei1,2,WANG Yu1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)(2.National Key Laboratory of Science and Technology on Materials Under Shock and Impact,Beijing 100081,China)Abstract :Discontinuously reinforced titanium matrix composites (DRTMCs)have many excellent properties such ashigh specific strength,low density,superior corrosion resistance,which have become ideal candidates for aerospace,defense industry and transportation field and have a wide range of applications.Graphene,as a two-dimensional carbon nano star material with excellent intrinsic physical and mechanical properties,has been regarded as a promising nano-reinforcement for DRTMCs in recent years.Recently,domestic and foreign researchers have been focusing on solving the key issue of severe interfacial reaction caused by traditional high-temperature sintering through rapid low-temperature con-solidation as well as powder modification,established a precise interface control method for graphene-reinforced Ti compos-ites,and optimized the configuration to realize the graphene nanoplatelets intrinsic strengthening.The present work sum-marized the fabrication and design method of graphene reinforced titanium matrix composites in recent years,investigating the effects of interface reactions,interface structure and micro-configuration or other key factors on the mechanical proper-ties,failure mechanism,and prospected the development trend of graphene reinforced titanium matrix composites in the further.Key words :graphene;titanium matrix composites;fabrication method;interface design;mechanical behavior1㊀前㊀言钛合金由于其优异的比强度㊁耐蚀性和高温性能,在航空航天㊁国防和汽车工业等领域拥有广泛的应用前景[1-5]㊂经过几十年的发展,钛合金力学性能发展已逼近极限,难以满足装备更为严苛的应用需求㊂钛合金的复合化成为重要的发展方向㊂非连续增强钛基复合材料㊀第3期穆啸楠等:石墨烯增强钛基复合材料研究进展(discontinuously reinforced titanium matrix composites,DRT-MCs)具有较高的模量㊁耐磨性㊁强度,与钛合金相比具有显著优势[2,6,7]㊂DRTMCs按照增强体生成方式可以分为原位自生颗粒/晶须增强DRTMCs(如通过引入碳源㊁硼源在基体内原位自生TiC㊁TiB陶瓷相)和外加颗粒增强DRTMCs(如加入SiC㊁Al2O3㊁Si3N4等陶瓷颗粒)[8,9]㊂近年来,碳纳米材料由于其超高的物理和力学性能,在增强金属综合性能方面已展现出较为突出的效果,常用的碳纳米增强体有碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)㊁纳米金刚石(nano diamonds,NDs)和石墨烯等㊂石墨烯纳米片(graphene nanoplatelets,GNPs)是一种具有较大比表面积,保留了大部分石墨烯优异力学(理想状态下石墨烯断裂强度~130GPa,杨氏模量~1.0TPa[8])㊁热学及电学性能的纳米碳材料,作为增强体已广泛应用于树脂㊁陶瓷和金属基复合材料㊂与传统陶瓷颗粒和晶须增强的DRTMCs相比,GNPs/Ti复合材料表现出更加优异的强度㊁塑性和抗冲击性等特性,受到国内外研究者广泛关注[9-15]㊂然而,GNPs/Ti复合材料的设计和制备始终面对三大难题:其一,GNPs在钛基体中的分散性较差;其二,由于钛具有非常高的化学活性,GNPs极易与钛基体发生严重界面反应而失去本征性能;其三, GNPs自身纳米结构的完整性较差和缺陷较多㊂以往的研究表明,CNTs和NDs作为钛基体的增强体也存在类似问题,大部分纳米碳材料在DRTMCs制备过程中通常会形成微米尺寸TiC颗粒,使复合材料的性能提升难以达到预期效果㊂对于GNPs/Ti复合材料,如何抑制GNPs的严重反应,实现界面反应精准控制,较好发挥GNPs的本征增强作用,是重要的研究方向㊂GNPs/Ti 复合材料的研究不仅对DRTMCs的发展具有重大意义,也对碳纳米相增强金属基复合材料的研发具有重要的理论指导意义㊂2㊀GNPs/Ti复合材料制备方法制备GNPs/Ti复合材料的方法有很多种,如图1所示[16-22],主要包括热压烧结㊁放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)㊁微波烧结㊁热等静压㊁粉末注射成型㊁激光熔覆等㊂其中热等静压㊁金属注射成型和激光熔覆等方法流程复杂㊁成本较高,尤其是这些工艺过程是在高温环境下制备,难以实现GNPs与钛基体的反应控制㊂传统热压烧结工艺的烧结时间较长,使得GNPs与Ti几乎全部发生反应生成TiC相㊂SPS工艺具有升温速度快㊁烧结时间短㊁烧结温度低等优势,因此采用该方法制备的材料组织均匀细小且界面反应可控制[23],SPS已成为目前GNPs/Ti复合材料的优选制备方法㊂西北有色金属研究院张于胜等[24]采用SPS和热轧工艺制备出GNPs/TC4㊁石墨颗粒(graphite particles,GPs)/ TC4和氧化石墨烯(graphene oxide,GO)/TC43类钛基复合材料,研究发现由于SPS快速升降温的特点,900ħ烧结和轧制条件下所制备的复合材料碳纳米相未完全反应,其中GNPs的本征结构保留最好,所制备的GNPs/ TC4复合材料屈服强度相比TC4㊁GPs/TC4和GO/TC4分别提高了24.6%,9.22%和5.62%㊂武汉理工大学史晓亮等[25]在1100ħ㊁保温10min的条件下,制备出GNPs/TiAl合金复合材料,测试结果表明,与TiAl基体相比,GNPs使该复合材料摩擦系数降低了4倍㊁磨损率降低了4~9倍㊂哈尔滨工业大学孔凡涛等[26]对SPS制备的GNPs/Ti-47Al-2Cr-4Nb-0.3W复合材料的微观结构进行研究,发现少量添加的GNPs对基体的晶粒细化有显著效果,使平均晶粒尺寸降低了45%㊂东南大学王军等[27]采用SPS工艺制备出高致密的GNPs/TC4复合材料,研究发现晶界处均匀分布的GNPs抑制了钛合金基体中魏氏组织的形成,有利于复合材料组织细化和力学性能的提升㊂印度塔帕尔大学Sharma等[28]采用SPS工艺制备了GNPs/TC4复合材料,该复合材料纳米硬度为5.29GPa,弹性模量为119.8GPa,比烧结态TC4分别提高了68.4%和140.5%㊂四川大学杨刚等[29]在850ħ条件下制备了GNPs/Ti复合材料,并分析了其高温压缩性能,研究发现,在大电流(45000A)或等离子体局部高温作用下,碳原子加速产生活化或非晶化,破坏了GNPs 的本征结构[30]㊂北京理工大学张洪梅等[31-34]采用低温快速成型工艺制备出GNPs/Ti复合材料,有效抑制了界面反应,其中GNPs质量分数为0.1%的GNPs/Ti复合材料具有优异的拉伸强度,比纯钛提高了54.2%~70%㊂东南大学的张法明团队[27,35]对GNPs和洋葱碳增强DRT-MCs开展了系统研究,发现复合材料内部在形成了纳米/亚微米级的TiC颗粒的同时保留了部分碳纳米相,使该复合材料拉伸强度相比纯Ti提高了40%㊂此外,重庆大学刘许旸等[36]㊁西南交通大学蒋小松等[37]㊁西安交通大学刘马宝等[38]㊁北京航空材料研究院曹正等[39]㊁苏州大学陈瑶等[40]在GNPs/Ti复合材料的制备方法研究方面也取得了一定的进展,为实现GNPs在钛基体中应用提供了工艺借鉴和技术参考㊂312中国材料进展第43卷图1㊀GNPs/Ti复合材料制备方法[16-22]:(a)热压烧结,(b)放电等离子烧结,(c)微波烧结,(d)热等静压,(e)粉末注塑成型,(f)激光熔覆Fig.1㊀Preparation methods of GNPs/Ti composites[16-22]:(a)hot-pressing,(b)spark plasma sintering,(c)microwave sintering,(d)hot iso-static sintering,(e)powder injection molding,(f)laser melting deposition3㊀GNPs/Ti复合材料界面与微观构型设计相比传统陶瓷颗粒和晶须增强体,GNPs厚度仅为几至几十纳米,具有较高的比表面积(250~1000m2/g),因而GNPs/金属复合材料中的界面区域占比得到较大提高,界面作为连接基体与增强相的 桥梁 ,是GNPs/金属复合材料性能的决定因素,也是目前研究的热点㊂发展GNPs/Ti复合材料的界面设计及控制方法,优化制备工艺,揭示 界面结构-材料性能 的响应关系,已成为GNPs/Ti复合材料的重点研究方向[41,42]㊂微观构型设计可对DRTMCs综合力学性能的提升产生显著效果[31,43-45],近年来,具有特殊微观构型的DRT-MCs受到广泛关注㊂研究发现,网状结构可以细化基体晶粒,有助于基体和增强体协调变形,抑制裂纹扩展;层状结构具备很强的抗裂纹萌生与扩展能力,可以实现对裂纹钝化㊁偏转和桥接等各种韧化机制的协调,充分发挥韧化效果[46,47]㊂本文汇总了近几年国内外较为典型的GNPs/Ti复合材料界面与微观构型设计研究报道[32,36,45,48-60],如图2所示㊂粉末冶金制备GNPs/Ti复合材料涉及烧结㊁热加工和热处理等工艺过程,尽管界面处原位生成的TiC层可有效提高界面结合强度,提升GNPs载荷传递效率,但图2㊀GNPs/Ti复合材料界面与微观构型设计方法[32,36,45,48-60] Fig.2㊀Micro-configuration design and preparation methods of GNPs/Ti composites[32,36,45,48-60]同时也会破坏GNPs二维纳米结构,降低本征增强效果㊂如日本大阪大学Kondoh教授团队[61]采用SPS和热挤压工艺(挤压比为3ʒ7,挤压温度为1000ħ)制备了CNTs/ Ti复合材料,挤压后增强体分散性得到较大提高,但碳412㊀第3期穆啸楠等:石墨烯增强钛基复合材料研究进展纳米材料的本征结构损伤严重㊂奥地利研究中心Melend-ez等[62]通过粉末冶金法制备出碳纳米材料(CNTs㊁NDs)增强的DRTMCs,研究发现,碳纳米材料与基体反应生成了高含量的TiC,该复合材料虽具有高的硬度和强度,但塑(韧)性较差㊂韩国延世大学Shin等[63]在较低温度(500ħ左右)和高压力条件下烧结制备了GNPs/Ti复合材料,研究发现,GNPs与Ti基体之间基本没有界面反应,而是通过Ti-C离子键和范德华弱键结合,由于界面结合强度较弱,导致复合材料在加载条件下界面易脱粘㊂由此可知,若GNPs/Ti复合材料界面TiC相含量过低,将使得界面结合强度不够,性能提升不足;TiC相生成过量,将容易破坏GNPs的本征结构,降低复合材料塑(韧)性,引发材料脆性失效㊂因此,如何为GNPs披上一层 恰到好处 的TiC层 外衣 ,是复合材料综合性能提升的关键㊂研究人员开展了界面微结构演化和反应调控等相关工作㊂北京理工大学张洪梅等[30,31,64,65]率先研究了GNPs/Ti复合材料的界面演化机制,基于低温高压SPS预成型和快速热处理工艺制备了GNPs/Ti复合材料㊂研究发现,TiC优先在GNPs的开口边缘位置形核生长㊂如图3所示[66],在850ħ热处理条件下,随着反应时间的延长(热处理时间120~600s),界面处的TiC相形貌从初始的 颗粒孤岛 (图3a)变成 蠕虫状 的长条(图3b),最后彼此相连形成厚度约150nm 致密的 片层状 结构(图3c)㊂旋进电子衍射分析结果表明,800ħ以下热处理反应生成的TiC层无择优取向,而是由众多细小纳米TiC颗粒相连组成;850ħ以上热处理反应生成的TiC层会产生<101>和<111>织构以及生长层错[66]㊂当界面反应层达到致密状态,碳原子将主要以穿过TiC层的方式到达Ti基体,使TiC继续生长[31]㊂西安交通大学刘马宝等[38]分析了GNPs/ TC4复合材料的界面微结构演化,研究发现,GNPs/ TC4复合材料界面主要形成致密的TiC反应层(无其他碳产物生成),且反应层的致密化可明显降低碳原子的扩散速率,使GNPs的本征结构在TC4合金基体中较好地保留㊂上述研究揭示了GNPs与Ti(合金)复合材料界面元素的反应扩散行为㊁界面产物的生长特性和形貌演变规律㊂研究人员还尝试采用GNPs表面改性方式调控界面㊂如北京理工大学[64]和西北有色院[67]等研究单位采用化学镀方法在GNPs表面引入Ni㊁Cu㊁Ag等纳米颗粒层,制备了Ni@GNPs㊁Cu@GNPs和Ag@GNPs纳米复合增强体,研究发现:GNPs表面金属化可以有效延缓复合材料界面反应的进程㊂由于纳米金属层可抑制碳原子扩散,界面反应产物由粗大TiC颗粒(尺寸约几百纳米)转变为细小的TiC颗粒(尺寸约十几纳米)㊂同时,金属层转变图3㊀GNPs/Ti复合材料在850ħ热处理条件下界面TiC相形貌随时间的演化过程[66]:(a)120s,(b)300s,(c)600s Fig.3㊀Interfacial TiC morphology evolution with time of GNPs/Ti composite during heat treatment at850ħ[66]:(a)120s,(b)300s,(c)600s为金属间化合物层,提高了GNPs与钛基体的界面结合强度,并且随着金属层原子的扩散,钛基体发生相转变(如β相产生和次生α析出),进一步改变了基体微观组织形貌,使复合材料实现了 1+1>2 的GNPs㊁界面反应层和基体析出相协同增强效果,准静态拉伸性能明显优于相同工艺参数下GNPs/Ti复合材料㊂西北工业大学陈彪团队[68]通过超声分散和物理吸附的方式得到了SiC p@ GNPs纳米复合增强体,采用SPS工艺制备出SiC p@ GNPs/Ti复合材料,该复合材料耐磨性能比纯钛提高了86.8%,研究发现:GNPs表面纳米SiC p层与GNPs表面金属化的效果类似,抑制了界面反应,减少了GNPs在烧结制备过程中缺陷的形成,反应生成的少量TiC和Ti5Si3相有利于提高界面结合强度㊂综上所述,研究者在GNPs/Ti复合材料界面反应机理及界面产物生长特性等方面开展的基础研究可为GNPs/Ti复合材料的界面设计及控制提供理论依据㊂在微观构型设计方面,哈尔滨工业大学黄陆军等[46]以提高DRTMCs室温塑性和高温强度为目标,基于Hash-in-Shtrikman理论,采用晶界强韧化设计的方法,制备出TiB w增强体呈准连续三维网状分布的DRTMCs,有效提高了材料的塑(韧)性㊂东南大学张法明团队[47]采用SPS 工艺制备了具有三维网状结构的少层石墨烯(few-layer graphene,FLG)/TC4复合材料,研究了SPS工艺温度对复合材料微观组织演变㊁压缩/拉伸力学性能和摩擦学行为的影响规律,分析了强化机理㊂FLG通过低能球磨在TC4粉末表面均匀分散,并经烧结过程在复合材料晶界处原位生成三维网络分布的FLG-TiC复合增强体㊂由于FLG和TiC在网络边界的协同强化作用,该复合材料相比TC4基体综合力学性能明显提高,且磨损率显著降低㊂图4a为FLG/TiC增强TC4合金基体的微观作用机制示意图[47]㊂西北工业大学陈彪团队[69]制备了具有GNPs网状分布特征的GNPs/TC4复合材料,研究发现,网状结构512中国材料进展第43卷一定程度缓解了复合材料裂纹应力集中,微裂纹倾向于沿着网络边界和GNPs /碳化物颗粒进行形核和长大,有利于微裂纹分支和偏转㊂北京理工大学张洪梅团队[31]设计出GNPs /Ti 片状复合粉末构筑了复合材料层状结构(图4b),不仅解决了GNPs 的团聚问题,同时获得了良好的GNPs 本征增强效果,制备的层状结构GNPs /Ti 复合材料打破了传统DRT-MCs 的压缩屈服强度极限(达到~2GPa)㊂基于仿生学思想,他们设计出具有三维复合结构的GNPs-(TiB w )/Ti 界面[32-34,48](简称 三维界面 ,如图4c),显著提升了复合材料的拉伸强度(比纯Ti 基体提升200MPa),并保持优异的室温塑性(23.2%)㊂图4d 为GNPs-(TiB w )/Ti 复合材料拉伸断口形貌[32],可以看出,TiB 晶须作为桥梁连接了GNPs-TiC-Ti 的多重界面,减缓了TiC 层的断裂速度,同时抑制了GNPs 与周围基体的界面脱粘,防止TiC 层与相邻基体的变形分离,GNPs 的存在还可以桥接裂纹,进一步获得增韧效果,促进GNPs 更好地发挥其本征强化作用㊂图4㊀FLG /TC4复合材料的三维网络结构示意图和界面结合模型(a)[47],微观层状GNPs /Ti 复合材料三维微观结构及微裂纹偏转(b)[31],受苍耳植物外形启发设计的具有 三维界面 特征的GNPs-(TiB w )/Ti 复合材料(c)[34],GNPs-(TiB w )/Ti 复合材料拉伸断口的SEM 照片(d)[32]Fig.4㊀Schematics of 3D network structure and interfacial bonding model of FLG /TC4composites (a)[47],cracks deflection in micro-laminated GNPs /Ti composite (b)[31], 3D interface in GNPs-(TiB w )/Ti composite inspired by Xanthium sibiricum (c)[34],SEM image of the tensile frac-ture of GNPs-(TiB w )/Ti composites (d)[32]4㊀GNPs/Ti 复合材料力学性能与失效机制GNPs /Ti 复合材料相比TiC(或TiB)/Ti 复合材料在力学性能上表现出更显著的强化效率,更优异的强塑性匹配,且GNPs 应用于钛合金也具有类似的增强效果[24,30,70-76]㊂选取部分具有代表性GNPs /Ti 复合材料与TiC(或TiB)/Ti 复合材料进行力学性能对比(图5a 和5b)㊂另一方面,微观构型设计表现出更突出的DRTMCs 增塑/增韧特性[30,41,58,64,68,77-97],尤其是GNPs /Ti 复合材料层状结构设计(代表成果统计见图5c)㊂进一步优化微观构型和界面微观结构,可以为GNPs /Ti 复合材料综合性能提升提供新思路与新途径㊂目前研究表明,GNPs /Ti 复合材料的强化机制主要为细晶强化㊁载荷传递㊁固溶强化㊁织构强化和Orowan 强化等(与目前已深入研究的颗粒增强金属基复合材料强化机制类似,在此不做赘述)㊂在塑(韧)性提升机制方面,除了微观构型起到的显著效果之外,界面微观结构也是影响复合材料增强和增塑(韧)的关键因素,也是微观构型发挥效果的前提㊂通过测量界面断裂韧性(如压痕实验法㊁四点弯曲实验法等[98])可以对界面特性进行评612㊀第3期穆啸楠等:石墨烯增强钛基复合材料研究进展估,但增强相尺寸为纳米尺度时,宏观的实验方法难以表征界面特性㊂研究人员采用数学模型(如等应力-等应变模型㊁剪切-滞后理论模型和粘结区模型等)对材料的宏观力学性能进行拟合,间接计算界面结合强度㊂首先对除载荷传递强化机制外的其它强化贡献进行定量计算,并利用差减法得出载荷传递作用的强化贡献,然后使用剪切-滞后强化模型倒推,间接计算出复合材料的界面结合强度[99]㊂事实上,经过拉伸变形,复合材料拉伸断口的韧窝附近或靠近增强体的区域通常会产生纳米孔洞或明显的应力集中㊂与初始状态相比,此时复合材料的界面状态已发生改变,增强体-基体的界面力学特性不能被真实反映㊂图5㊀GNPs /Ti 复合材料与传统原位自生TiC (或TiB )/Ti 复合材料性能对比:(a )拉伸强度[24,30,70-72,74-76],(b )断后延伸率[24,30,70-72,74-76],(c)不同微观构型的复合材料的归一化拉伸强度与断后伸长率分析图[30,41,58,64,68,77,85,87,89,93,95-97]Fig.5㊀Comparison of properties of GNPs /Ti composites and traditional in-situ TiC (or TiB )/Ti composites:(a )ultimate tensilestrength [24,30,70-72,74-76],(b)elongation to fracture [24,30,70-72,74-76],(c)normalized tensile strength and normalized tensile elongationof composites with different structural types [30,41,58,64,68,77,85,87,89,93,95-97]㊀㊀北京理工大学张洪梅等[44,66,100]采用微纳扩散偶实验结合动力学计算的界面精细控制方法,通过短时热处理获得不同碳-钛反应程度的GNPs /Ti 复合材料㊂在准静态及高应变率动态加载条件下开展了GNPs /Ti 复合材料力学响应行为研究,分析不同界面微观结构对GNPs 载荷传递和复合材料塑(韧)性提升的影响规律,揭示了GNPs 及界面微观结构在载荷作用下的失效机制㊂研究表明,适当的界面反应可产生GNPs-TiC 协同强韧化 效果㊂图6为准静态拉伸变形后GNPs /Ti 复合材料微观组织和断口形貌,从图中可以看出,界面附近的基体中存在Frank-read 位错源和位错环,以及大量的线段状位错线,在TiC 反应层与Ti 基体的界面处也发现了位错环以及大量位错缠结㊂TiC 反应层在载荷传递的过程中出现了多处微裂纹形核现象(如图中红色虚线所示),部分微裂纹还呈现出较大偏转㊂微裂纹的产生说明界面载荷传递的应力达到了TiC 反应层的临界断裂应力,然而TiC反应层产生的微裂纹在GNPs 两侧并非是对称的,同时GNPs 与TiC 反应层也无界面脱粘现象,因此GNPs 在载荷传递的过程中对界面反应层的裂纹扩展起到了有效地抑制作用,微裂纹如果继续扩展,则必须绕过GNPs 与TiC 的界面㊂TiC 反应层与GNPs 在复合材料拉伸过程中保持高效的协同承载能力,尽管TiC 反应层在拉伸过程中微裂纹不断形核并长大,但始终能够有效地将来自基体的加载应力传递到GNPs,随着拉伸过程的继续进行,GNPs 在到达临界断裂应力后产生撕裂或断裂,这意味着本征结构保留完好的石墨烯不仅可以起到高效的载荷传递作用,还可以有效抑制界面处微裂纹的扩展,从而同时提高复合材料的强度和塑(韧)性㊂当GNPs /Ti 复合材料处于过度反应界面状态时(即TiC 反应层过厚,GNPs 本征结构破坏严重),GNPs 将成为一种 缺陷 ㊂图7a 所示为存在严重界面反应的GNPs 和断裂TiC 层TEM 形貌照片,与图6相比,相同拉伸应712中国材料进展第43卷图6㊀拥有适当界面反应的GNPs/Ti复合材料拉伸变形后微观组织TEM照片(a)和拉伸断口SEM照片(b)[66]Fig.6㊀Microstructure TEM image(a)and fracture surface SEM images(b)of GNPs/Ti composite with suitable interface reaction de-gree under tensile deformation[66]变条件下,该界面处微裂纹的尺寸明显增大,这些微裂纹穿透了整个TiC层㊂图7b显示了断裂界面附近的GNPs非晶相,这是导致GNPs-TiC结合较弱以及微裂纹快速扩展的主要原因㊂因此,严重反应界面状态的GNPs 很难抑制裂纹的扩展,从而降低了TiC的断裂韧性(图7c)㊂也就是说,GNPs不能有效地承受来自Ti基体的载荷,GNPs本征结构消失和较大损伤也将导致粗大的TiC反应层成为普通脆性陶瓷相,使GNPs-TiC 协同强韧化 效果消失[66,101]㊂北京理工大学张洪梅团队[33,65]采用分离式霍普金森压杆结合限位环技术,研究了高应变率冲击加载条件下复合材料GNPs和TiC的力学响应行为(3000s-1)㊂图8a 所示为850ħ热轧态GNPs/Ti复合材料(适当界面反应)的动态压缩应力应变曲线㊂初始应变条件下界面处首先产生微孔洞(图8b),可以观察到微孔洞内部存在断裂图7㊀存在严重界面反应的GNPs/Ti复合材料拉伸变形后:(a)微观组织TEM照片[101],(b)微裂纹贯穿界面TEM照片[101],(c)界面处GNPs有/无非晶层界面时的失效模型[66] Fig.7㊀GNPs/Ti composite with severe reaction degree under tensile deformation:(a)TEM image of the microstructure[101],(b)TEMimage of the cracks propagation on interface[101],(c)the failuremodel of the interface without/with GNPs amorphization[66]的TiC反应层,以及处于 桥接 状态且尚未断裂的GNPs;当试样的应变为0.15时,则达到以GNPs断裂为主要现象的微裂纹形核阶段(图8c),随着应变的继续增加,微裂纹随之延伸㊁扩展和连接,最终形成横向主裂纹造成的复合材料应力塌陷,如图8d所示,可以证明在冲击环境中依然存在GNPs-TiC 协同强韧化 效应㊂图8㊀3000s-1条件下GNPs/Ti复合材料的动态压缩真应力-应变曲线(a),复合材料在不同应变下的SEM照片(b~d)[65] Fig.8㊀True stress-strain curves(3000s-1)and fracture process of the GNPs/Ti composites obtained by the stop-ring method(a),the corre-sponding SEM images at various strains(b~d)[65]㊀㊀目前,GNPs-TiC 协同强韧化 效应已随着GNPs/Ti复合材料界面反应精细可控的逐步实现,被越来越多的研究者发现㊂然而,其深层次机理研究仍不够深入,进一步探究GNPs/Ti复合材料界面微观结构关键参量与复合材料力学响应的关系(尤其是在高温㊁高应变率等极端服役条件下),需要更先进的界面表征方法,进而揭示界面特性对GNPs/Ti复合材料变形与失效机制的影响规律[78]㊂812㊀第3期穆啸楠等:石墨烯增强钛基复合材料研究进展5㊀结㊀语近些年来,国内外针对石墨烯纳米片(graphene nano-platelets,GNPs)/Ti复合材料的设计和制备取得了较大进展,但尚未形成完整的体系,许多工作有待深入研究[102-104]:(1)如何实现GNPs在钛基体中的本征增强,是设计GNPs/Ti复合材料的核心问题㊂目前该复合材料的制备工艺窗口较为狭窄,高温固结与低温反应控制仍是制备GNPs/Ti复合材料的主要矛盾,可进一步探索可靠的低温/室温成型或预成型方法;也可通过优化GNPs表面改性层种类和性质,实现界面反应的可设计与可调控㊂(2)采用材料基因工程方法设计GNPs/Ti复合材料,将实验科学和计算科学结合来深入挖掘GNPs和界面微观结构在钛基体中的作用机制,突破正向设计和精准制备技术,进一步提升GNPs/Ti复合材料的综合性能;面向国际前沿技术,开展GNPs/Ti复合材料新方法㊁新技术的研发,强化原创性基础理论㊁方法和模型的研究㊂(3)针对国家重大需求,开展面向特殊应用环境的结构-功能一体化新型钛基复合材料设计和制备研究,如高强韧抗冲击GNPs/Ti复合材料㊁轻质耐高温GNPs/Ti 复合材料㊁高强高导热GNPs/Ti复合材料等,充分利用石墨烯特殊的二维纳米结构特性,发挥出石墨烯优异的本征力学和物理性能㊂(4)目前GNPs/Ti复合材料仍处于实验室研究阶段,需加强GNPs/Ti复合材料制备向中试㊁工程化和低成本化方向发展,包括材料的制备工艺放大㊁工艺优化㊁材料质量性能的稳定性研究等㊂参考文献㊀References[1]㊀黄孝余,唐斌,李金山.铸造技术[J],2022,43(7):043.HUANG X Y,TANG B,LI J S.Foundry Technology[J],2022,43(7):043.[2]㊀雷小伟,刘甲,余巍,等.稀有金属材料与工程[J],2024,53(2):417-423.LEI X W,LIU J,YU W,et al.Rare Metal Materials and Engineering [J],2024,53(2):417-423.[3]㊀邝玮,王敏敏,李九霄,等.机械工程材料[J],2015,39(2):67-72.KUANG W,WANG M M,LI J X,et al.Materials for Mechanical 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石墨烯及其复合材料对水中重金属离子Pb2+的吸附性能研究进展石墨烯由于其独特的二维结构、极高的比表面积和优异的力学性能，在环境污染治理领域表现出了巨大的应用潜力。

石墨烯的复合材料因具有石墨烯和其他功能材料的优势，被广泛应用于水处理领域。

本文将从石墨烯及其复合材料对水中重金属离子Pb2+的吸附性能进行综述与分析。

二、石墨烯及其复合材料对Pb2+的吸附性能1. 石墨烯对Pb2+的吸附性能石墨烯由于其大的比表面积、丰富的官能团、高载流子迁移率等特性，对于重金属离子的吸附具有很好的性能。

研究表明，石墨烯的吸附量和吸附速度都远远高于传统的吸附材料，如活性炭。

石墨烯对Pb2+的吸附过程主要受到静电吸附、络合和离子交换等机制的影响。

2. 石墨烯复合材料对Pb2+的吸附性能除了石墨烯本身的优异性能外，石墨烯复合材料在吸附Pb2+方面也表现出了很好的性能。

石墨烯复合材料由于其复合材料的协同效应和增强效应，能够提高对Pb2+的吸附能力和吸附速度。

例如氧化石墨烯、石墨烯纳米颗粒复合材料等，都能够有效吸附Pb2+，并且具有很高的循环使用性能和稳定性。

三、研究进展和存在问题1. 研究进展近年来，关于石墨烯及其复合材料对水中重金属离子Pb2+的吸附性能的研究取得了许多进展。

研究者通过改善石墨烯材料的结构和表面性质，设计合成了多种高效的石墨烯复合材料，提高了对Pb2+的吸附性能。

也有研究者对石墨烯复合材料的吸附机制进行了深入研究，为石墨烯复合材料的设计和性能优化提供了理论基础。

2. 存在问题尽管石墨烯及其复合材料在吸附Pb2+方面表现出了较好的性能，但其应用仍存在一些问题。

在工程应用中，石墨烯的生产成本较高，且存在一定的分散性和稳定性问题。

石墨烯的稳定性和循环使用性能也需要进一步提高。

对于石墨烯复合材料的吸附机制和影响因素的研究仍然不够深入，需要进一步加强。

石墨烯及其复合材料对水中重金属离子Pb2+的吸附性能具有很好的应用前景。

石墨烯增强铝基复合材料的研究进展1. 引言1.1 石墨烯增强铝基复合材料的研究进展本文将就石墨烯在铝基复合材料中的应用、石墨烯增强铝基复合材料的制备方法、石墨烯增强铝基复合材料的性能研究、石墨烯增强铝基复合材料在航空航天领域的应用以及石墨烯增强铝基复合材料的未来发展方向进行探讨。

通过对这些方面的研究和分析，可以更全面地了解石墨烯增强铝基复合材料的研究进展，为未来该领域的研究提供重要参考。

2. 正文2.1 石墨烯在铝基复合材料中的应用石墨烯在铝基复合材料中的应用可以增强材料的力学性能。

石墨烯具有极高的强度和刚度，能够显著提高铝基复合材料的抗拉强度和硬度，使其在高强度要求的领域有更广泛的应用。

石墨烯还能有效提高铝基复合材料的耐磨性和耐腐蚀性能，延长材料的使用寿命。

石墨烯在铝基复合材料中的应用还可以提高材料的热导率。

石墨烯具有极好的热导性，能够有效提高铝基复合材料的导热性能，使其在高温应用环境中表现更优异。

石墨烯在铝基复合材料中的应用对材料的力学性能和热导率都有显著的提升作用，为铝基复合材料的性能优化和应用拓展提供了新的思路和方法。

2.2 石墨烯增强铝基复合材料的制备方法石墨烯增强铝基复合材料的制备方法是研究该材料的关键步骤之一。

目前常见的制备方法包括机械合金化、化学气相沉积、热压和挤压等技术。

机械合金化是较为简单的一种方法，通过球磨或搅拌等机械方法将石墨烯加入到铝粉中，并随后进行热压或挤压，使其形成均匀的复合材料。

化学气相沉积是将石墨烯在气相中沉积到铝基物质表面，通过化学反应形成复合结构。

这种方法可以控制石墨烯的厚度和分布，从而调控复合材料的性能。

热压和挤压技术是将经过预处理的石墨烯和铝粉放入模具中，经过高温高压条件下进行压制，使其形成致密均匀的复合材料。

这种方法可大规模生产高质量的复合材料。

不同的制备方法对于石墨烯增强铝基复合材料的性能会产生不同的影响，因此在选择制备方法时需要根据具体要求和应用场景进行合理选择，并不断优化和改进制备工艺，以提高复合材料的性能和应用性。