当前位置：文档之家 › 石墨烯铝基复合材料的界面反应研究

石墨烯铝基复合材料的界面反应研究

  • 格式：pdf
  • 大小：1.25 MB
  • 文档页数：8

Hans Journal of Nanotechnology 纳米技术, 2017, 7(3), 66-73 Published Online August 2017 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/nat https://doi.org/10.12677/nat.2017.73008

文章引用: 陈长科, 张海平, 马冰, 李炯利, 王旭东. 石墨烯铝基复合材料的界面反应研究[J]. 纳米技术, 2017, 7(3): 66-73. DOI: 10.12677/nat.2017.73008

Study on Interface Reaction of Aluminum-Matrix Composite Reinforced by Graphene

Changke Chen1*, Haiping Zhang2, Bing Ma1, Jiongli Li2, Xudong Wang2 1Xinjiang Joinworld Co., Ltd., Urumqi Xinjiang

2Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing

Received: Aug. 9th, 2017; accepted: Aug. 23rd, 2017; published: Aug. 30th, 2017

Abstract Graphene has excellent mechanical properties and is considered as an excellent strengthening material in composite. In this paper, ultrasonic mixing was used to obtain uniformly dispersed graphene into Al powder and hot pressing was used to fabricate Graphene-Al composite bulk. The samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM), differential thermal analysis (DSC), X-ray diffraction (XRD); the mechanical properties were tested by microhardness test. The results showed that the graphene could react with Al at 400˚C and form Al4C3 phase, and the

reacting rates were relative low under 600˚C, the reacting rates increased significantly above the melting point of aluminum. Slight formation of Al4C3 could increase the mechanical property of

composites, but massive Al4C3 would greatly decrease the mechanical property of composites.

Keywords Aluminum-Matrix Composite, Graphene, Interface Reaction, Mechanism Analysis

石墨烯铝基复合材料的界面反应研究 陈长科1*，张海平2，马 冰1，李炯利2，王旭东2 1新疆众和股份有限公司，新疆 乌鲁木齐

2北京航空材料研究院，北京

收稿日期：2017年8月9日；录用日期：2017年8月23日；发布日期：2017年8月30日 *通讯作者。 陈长科 等 DOI: 10.12677/nat.2017.73008 67 纳米技术

摘 要 石墨烯具有极其优异的力学性能，是理想的复合材料增强体。本文以商业纯铝为基体，石墨烯为增强相，通过超声混合法制备石墨烯-Al复合粉末，通过真空热压烧结制备石墨烯-Al复合材料，通过扫描电镜(SEM)、差热分析(DSC)、X-射线衍射分析(XRD)、显微硬度计表征了材料的宏观形貌、微观形貌、反应

温度、相组成和显微硬度等。结果表明：石墨烯和Al在400℃时便开始发生反应，但在600℃以下时，两者反应速度较慢，在Al熔点以上时，石墨烯和Al反应速度明显增加，石墨烯和Al反应生成Al4C3；少量的Al4C3可以增强石墨烯和Al基体的结合力，有利于提高材料的力学性能，但是大量脆性Al4C3生成时，材

料的力学性能下降。

关键词 铝基复合材料，石墨烯，界面反应，机理研究

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言 铝合金因其具有低密度、高比强度和成型性能好等特点，在航空领域有着广泛的应用[1]，但目前研制成熟并投入实际应用的高强铝合金的屈服强度都在500 MPa以内，抗拉强度也很难超过700 MPa [2]，而同为轻质合金的高强钛合金的抗拉强度却在1000 MPa以上。为了适应航空领域的发展，必须进一步提高铝合金的强度，而采用固溶强化、析出强化等传统强化方式进一步提高铝合金性能的空间已经非常有限，必须寻找新的铝合金强化途径。石墨烯自2004年发现以来，因其优良的电学[3]、力学[4]、热学[5]等性能，被作为添加剂制备石墨烯–树脂复合材料[6] [7] [8]、石墨烯–金属复合材料[9] [10] [11]，改善树脂或金属基体的力学性能和功能特性，2014年北京航空材料研究院学者在研究石墨烯增强Al合金时，发现石墨烯能够在不降低材料塑形的条件下，大幅提高材料的强度[12] [13]。但石墨烯增强Al基复合材料仍存在一些问题亟待研究，如石墨烯在Al基体中的分散[14] [15]、石墨烯-Al复合材料的成型工艺[16]及石墨烯与Al基体反应[17] [18] [19]，其中石墨烯与Al基体反应研究对石墨烯-Al复合材料的增强机理、成型工艺控制具有重要意义。 本文以商业纯铝为基体，石墨烯为增强相，通过超声混合法制备石墨烯-Al复合粉末，通过真空热压烧结制备石墨烯-Al复合材料，研究石墨烯和Al基体的反应，探究石墨烯增强Al基复合材料的微观机理。

2. 实验 2.1. 实验原料 本研究采用的基体材料为氮气雾化制备99.9%纯Al粉，南通金源智能技术有限公司，尺寸为300目，微观形貌如图1(a)所示，成分表1如所示；采用的增强材料为石墨烯，采用液相剥离制备[20]，厚度为5纳米以下，微观形貌如图1(b)所示，基本参数如表2所示。实验所用溶剂为无水乙醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。 陈长科 等 DOI: 10.12677/nat.2017.73008 68 纳米技术

Figure 1. SEM images of the original pure Al powder (a) and graphene (b) 图1. (a) 原始纯Al粉末，(b) 石墨烯的SEM图片

Table 1. The chemical composition of Al 表1. 纯铝成分

成分 Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn Al 含量(wt.%) 0.003 0.0021 0.0010 <0.001 0.0028 <0.001 <0.001 余量

Table 2. The basic parameters of graphene 表2. 石墨烯基本参数

原料种类 纯度 灰烬 粉末密度 比表面积 石墨烯 ≥95 wt.% ≤0.2wt.% 0.03~0.1 g/cm3 90~130 m2/g

2.2. 实验方法 将石墨烯和纯铝粉在无水乙醇中超声1 h，60℃真空干燥5 h，制备了石墨烯含量为1.0 wt.%的石墨烯-Al复合粉末；将复合粉末置于真空热压烧结炉中，于300℃、400 MPa下热压烧结2 h，制备出1.0 wt.%石墨烯-Al复合材料；将复合材料分别置于400℃、500℃、600℃、700℃或800℃下，空气气氛下热处理1 h，研究不同温度对石墨烯和铝界面反应的影响；对纯Al粉采用相同工艺制备了对比试样。

2.3. 测试表征 通过扫描电镜(JXA-8100)观察样品微观组织，采用X射线衍射仪(Rigaku D/Max 2500v/pc)分析样品中物相变化，通过同步热分析仪(A-449F3)研究石墨烯和Al基体是否发生反应及开始发生反应的温度，通过显微硬度计(UTURE-TECH FM-800)表征材料的显微硬度变化。

3. 试验结果 3.1. 宏观形貌 石墨烯铝基复合材料和纯铝不同温度热处理后材料剖面如图2所示。 从图2中可以看到300℃热压烧结后的Al块体在不同温度热处理后剖面可分为两类，低于Al的熔点(660℃)和高于Al的熔点。低于Al的熔点温度下热处理后Al块体剖面相对于烧结后Al块体剖面无明显变化，高于Al熔点温度下热处理保温1 h后，Al块体内部出现许多孔洞，且800℃处理后样品比700℃处理后样品孔洞更大。这主要是由于热压时温度较低，块体致密性不高，高于Al熔点热处理后，内部粉体熔化，体积收缩，真实体积略有缩小，但是热处理过程中样品表观体积增大，从而形成孔洞。而石墨

合集下载

石墨烯复合材料的制备、性能与应用

石墨烯复合材料的制备、性能与应用

石墨烯复合材料的制备、性能与应用摘要：纳米科学技术是当今社会科学中一个重要的研究话题。

它是现代科学技术的重要内容，也是未来技术的主流。

是基础研究与应用探索紧密联系的新兴高尖端科学技术。

石墨烯具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能,自从2004年被成功制备出来,一直是全世界范围内的一个研究热点。

由于石墨烯具有巨大的表面体积比和独特的高导电性等特性,石墨烯及其复合材料在电化学领域中有着诱人的应用前景,因此,石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的研究是石墨烯材料研究的一个重要领域。

综述了石墨烯与石墨烯复合材料的制备及其在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、燃料电池等电化学领域中应用的研究现状,展望了石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的未来发展前景。

关键词;复合材料纳米材料石墨烯正文;一，石墨烯复合材料的制备石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面复合材料，其特殊的单原子层决定了它具有丰富而新奇的物理性质。

研究表明，石墨烯具有优良的电学性质，力学性能及可加工性。

石墨烯复合材料的制备是石墨烯研究领域的一个重要的课题，如何简单，快速，绿色地制备其复合材料，而又采用化学分散法大量制备氧化石墨烯,并采用直接共混法制备氧化石墨烯/酚醛树脂纳米复合材料。

通过AFM、SEM、FT-IR、TG等对其进行表征,结果表明,氧化石墨烯完全剥离,并在基体中分散均匀,而且两者界面相容性好,提高了复合材料的热稳定性。

通过高温热处理使复合材料薄膜在兼顾形貌的同时实现导电,当氧化石墨烯含量为2%(质量分数)时,其导电率为96.23S/cm。

采用原位乳液聚合和化学还原法制备了石墨烯和聚丙乙烯的复合材料。

研究表明PS微球通过公家方式连接到石墨烯的表面。

通过PS微球修饰后的石墨烯在氯仿中变现良好的分散性。

制备的复合材料具有优良的导电性，同时PS的玻璃化温度的热稳定性得到了提高。

本研究所提出的方法具有环境友好高效的特点，渴望被采用到其他聚合物和化合物来修饰石墨烯。

氧化石墨烯与金属界面的结合力

氧化石墨烯与金属界面的结合力

氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）是一种石墨烯经过氧化处理形成的二维材料，表面含有大量的含氧官能团，如羧基、羟基、环氧基等。

这些官能团赋予了GO优异的溶解性和反应活性，使其能够与多种材料形成强烈的界面相互作用，包括金属材料。

氧化石墨烯与金属界面的结合力主要来源于以下几个方面：
1.化学键合：GO表面上的含氧官能团可以通过化学吸附的方式与金属表面的
原子形成共价键、配位键或氢键等化学键，例如，金属表面的空位、不饱和键或金属离子可以与GO上的含氧官能团发生化学反应，从而产生较高的结合力。

2.范德华力：氧化石墨烯与金属之间即使没有直接的化学键合，也会存在范德
华力，这是由于两者的极性区域引起的吸引力，尽管相较于化学键较弱，但在宏观尺度上也能显著影响界面的稳定性。

3.静电作用：由于GO表面的含氧官能团带有电荷，而金属表面可能会因氧
化、还原等原因带有相反电荷，因此两者之间存在静电吸引作用，增强了界面结合力。

4.表面浸润性：GO良好的亲水性使得其容易在金属表面铺展，进而增加接触
面积，提高了物理结合的可能性。

5.凝聚效应：在制备复合材料时，GO片层之间以及与金属粒子之间的堆积和
缠绕也会导致机械结合，进一步增强整体复合材料的界面稳定性。

总之，氧化石墨烯与金属界面的结合力是一个复杂的过程，涉及到多种力的作用，具体结合强度和方式会受许多因素的影响，如氧化程度、金属种类、制备工艺条件等。

通过调控这些参数，可以设计出具有优良性能的氧化石墨烯-金属复合材料。

石墨烯—铜复合材料研究新进展-

石墨烯—铜复合材料研究新进展-

石墨烯—铜复合材料研究新进展*石墨烯是一种新型低维碳材料它具有优异的光学、电学、热学和力学性能，被认为是具有战略意义的新材料，近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域的研究热点，而石墨烯-金属复合材料是石墨烯应用的重点研究方向之一。

从理论研究方面概述了国内外对石墨烯-铜复合材料的最新研究进展，阐述了石墨烯-铜界面对位错、热传输有阻碍作用和一定抗辐照损伤的能力，重点介绍其中一些具有优异性能的研究结果及其在目前研究中面临的困难。

标签：石墨烯-铜复合材料；辐照损伤；位错自2004年英国Manchester大学的Novoselov等[1]首次用机械剥离法获得单层石墨烯以来，石墨烯以其独特的结构，优异的电学、热学、化学和力学性能迅速引起了广泛地关注。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接密堆积构成的二维晶体，具有良好的导热性能5000W/（m·K）[2]，室温下电荷迁移率高达15，000cm2/（V·s）[3]，比表面积为2630m2/g[4]，杨氏模量和力学性能分别为1.02TPa和130GPa[5]。

石墨烯的这些优良性能使其成为材料科学领域研究的热点对象，通过与其他材料的复合可以利用石墨烯优良的特性赋予复合材料更加优异的性能。

石墨烯与金属的复合是石墨烯纳米复合材料研究中很重要的一部分，特别是石墨烯-铜复合材料的研究是目前材料研究领域的热点之一。

主要综述了国内外对石墨烯-铜复合材料理论研究的最新进展，给出研究中得到的重要成果，并指出目前石墨烯-金属复合材料研究过程中的困难。

石墨烯的加入使得石墨烯-铜复合材料不仅可以获得高导电导热的性能，还能很好地弥补传统铜及铜合金强度较低的缺点。

这是由于石墨烯在复合材料中起到阻碍位错运动的作用，使位错运动需要更大的应力来越过障碍，从而提高了材料的强度，也提高了材料的耐磨性能。

2010年，Xu等[6]利用第一性原理研究了单层石墨烯和铜界面的性质，结果发现，单层石墨烯与铜（111）面的界面内聚能、强度和电子结构与它们的原子几何形貌息息相关。

基于石墨烯的复合材料热导率实验测量

基于石墨烯的复合材料热导率实验测量

基于石墨烯的复合材料热导率实验测量一、引言随着科技的不断发展，材料科学领域对于高性能材料的需求日益增长。

石墨烯作为一种具有独特物理性质的二维材料，自发现以来就受到了广泛的关注。

它具有极高的载流子迁移率、优异的力学性能和良好的热导率等特点。

将石墨烯与其他材料复合，可以进一步优化材料的性能，使其在电子、能源、航空航天等众多领域具有潜在的应用价值。

在这些应用中，材料的热导率是一个关键的性能指标，它直接影响着材料在散热、热管理等方面的表现。

因此，对基于石墨烯的复合材料热导率进行准确的实验测量具有重要的科学和工程意义。

二、石墨烯的基本性质与复合材料的制备1. 石墨烯的基本性质石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

它的原子层厚度仅为单层时约0.335nm，具有极高的比表面积。

其独特的二维结构赋予了它许多优异的物理性质。

在电学方面，石墨烯具有极高的载流子迁移率，电子在其中能够快速移动，这使得它在电子器件领域具有巨大的应用潜力。

在力学性能上，石墨烯的强度非常高，能够承受较大的外力而不发生破坏。

而在热学性质方面，石墨烯具有极高的热导率，其热导率在室温下理论值可高达5000W/(m·K)左右，这一数值远远高于传统的金属材料如铜（约400W/(m·K)）和铝（约200W/(m·K)）。

2. 复合材料的制备方法为了制备基于石墨烯的复合材料，通常采用以下几种方法：（1）溶液混合法溶液混合法是将石墨烯或其衍生物（如氧化石墨烯）与基体材料的溶液进行混合。

例如，对于聚合物基复合材料，可以将氧化石墨烯分散在聚合物的有机溶剂溶液中，通过搅拌、超声等手段使其均匀分散，然后通过蒸发溶剂或其他固化方法得到复合材料。

这种方法的优点是操作相对简单，可以较好地控制石墨烯在基体中的分散程度，但缺点是可能会引入杂质，并且对于一些难溶性的基体材料可能不太适用。

（2）原位聚合法原位聚合法是在石墨烯存在的条件下进行基体材料的聚合反应。