鎂基復合材料微觀結(jié)構(gòu)與力學性能研究.pdf

1、隨著人們對材料強度和節(jié)能降耗要求的不斷提高,輕金屬元素鎂及鎂基復合材料在航空航天和汽車行業(yè)的應用引起研究人員的極大關(guān)。納米顆粒(如 SiC、Cu、Al2O3、CNTs)及其混合物增強鎂基復合材料得到廣泛研究以期獲得最優(yōu)的強度,但對其高比強度的研究還不深入,需進一步研究。
　　本實驗,采用石墨烯納米片做增強相顆粒來提高鎂基復合材料的機械強度,此外,也探索了金屬-石墨烯、金屬-金屬復合強化顆粒的添加對純鎂顯微結(jié)構(gòu)及力學性能的影響。實驗

2、發(fā)現(xiàn)石墨烯納米片與少量鋁顆粒復合添加可使石墨烯和鎂基體界面結(jié)合良好。主要內(nèi)容總結(jié)如下:
　　首先研究了單獨添加石墨烯納米片對純鎂的影響,試驗表明,石墨烯納米片的加入可提升純鎂的抗拉強度,但塑性會有所降低。雖然石墨烯納米片可強化鎂基體,但強度提升幅度不大,其原因在于石墨烯納米片與鎂基體的界面結(jié)合效果不佳。然而少量鋁的加入可有效改善石墨烯與鎂基體的結(jié)合,當鋁含量保持在1.0wt％,石墨烯納米片含量為0.09~0.3wt％,0.3％,復

3、合材料的抗拉強度和塑性均增加,這是因為越來越多的石墨烯納米片位向與擠壓方向趨于一致,從而達到阻礙基體斷裂的效果。另一方面,當石墨烯納米片含量維持在0.18wt％,鋁顆粒含量為0.5％~1.0wt％時,復合材料的抗拉強度和塑性也同時增加。復合材料機械強度的提高,可用基本的強化機制解釋,即強化相與基體熱膨脹系數(shù)的不同, Orowan環(huán)及載荷轉(zhuǎn)移機制。
　　第二,研究了符合添加石墨烯和碳納米管對鎂基體的強化作用。對于只添加石墨烯納米片或

4、多壁碳納米管強化復合材料,石墨烯納米片-碳納米管-鋁顆?；旌咸砑訌娀瘡秃喜牧暇哂懈叩睦焓?拉伸失效應變(％)的顯著增加說明石墨烯納米片和多壁碳納米管對鎂基體的協(xié)同強化作用效果明顯,原因如下:(a)一維多壁碳納米管的引入阻礙了二維石墨烯納米片的快速聚集。(b)基體中即軟又長的多壁碳納米管橋接相鄰的石墨烯納米片形成三維復合結(jié)構(gòu),從而阻擋了它們的聚集,使得碳納米管+石墨烯納米片復合結(jié)構(gòu)與基體的接觸面積增大。
　　第三,研究了添

5、加石墨烯納米片對Mg-10Ti合金力學性能的影響,室溫拉伸結(jié)果表明,鈦和鈦-石墨烯納米片復合加入鎂基體,復合材料的抗拉強度和失效應變均增加。此外,還研究了銅-石墨烯納米片復合添加對純鎂力學性能的影響,試驗發(fā)現(xiàn)銅含量保持在1.0wt％,石墨烯納米片含量為0.18％~0.36wt％,材料強度和失效應變隨之增加,然而,由于 GNPs的團聚,當 GNPs的含量從0.36％增加到0.54％時,失效應變逐漸下降。當繼續(xù)增加其含量時,由于石墨烯納米片

6、的團聚,失效應變逐漸下降,直到石墨烯納米片含量增加到0.54wt％。
　　第四,采用粉末冶金法,研究了石墨烯納米片對Mg-1Al-Sn合金拉伸強度的影響,試驗表明,向Mg-1Al-Sn合金中加入0.18wt％的石墨烯納米片,合金抗拉強度提高塑性降低。,復合材料強度的提升可由基本的強化機制解釋。
　　第五,研究了不同金屬混合顆粒的添加對純鎂的影響,試驗發(fā)現(xiàn)當復合添加10wt％Ti和10％Ti-1％Al顆粒時,Al元素對Ti顆粒

7、與Mg基體界面結(jié)合的改善, Mg基復合材料的強度和塑形均得到提高。此外,也研究了復合添加Al、Cu顆粒對鎂基體的影響,發(fā)現(xiàn)Cu顆粒在Mg基體中彌散分布,因此,當1.0 wt.％ Al-0.6 wt.％Cu顆?；旌咸砑訒r,可同時提升材料強度和塑性。另一方面,當 Cu含量保持不變,Al含量從1％增加到9％,復合材料的硬度、抗拉和抗壓強度均有所提高。當 Al含量在3wt.％以下時,隨 Al含量的增加,材料拉伸失效應變相應增大。當復合材料中 A