石墨烯增强镁基复合材料复合材料论文

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1、摘要碳纳米管、石墨烯具有优异的力学性能(高强度和高模量)，是镁基复合材料理想的增强体。如何改善碳纳米管、石墨烯在镁基体中的分散性和提高界面结合强度，是制备高性能纳米碳/镁基复合材料的关键。采用粉末冶金和热挤压工艺制备了石墨烯（GNS）增强的AZ91镁基复合材料，测试了复合材料的力学性能，并用扫描电镜和能谱仪对复合材料断口形貌进行了观察和分析。采用粉末冶金+热挤压工艺+T4固溶处理分别制备了CNTs，MgO@CNTs(包覆MgO碳纳米管)、GNPs(石墨烯纳米片)和RGO(还原石墨烯)增强的AZ91镁基复合材料，研究了碳纳米管表面包覆MGO工艺，纳米碳材料(CNTs，MgO@CNTs，GN

2、Ps和GO)含量对AZ91合金的组织和力学性能的影响。结果表明氧化石墨烯增强AZ91镁基复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分别为225MPa，8%和70HV，比AZ91镁合金基体的分别提高了39.7%，35.4%和31.8%；而以石墨烯纳米片为增强相时复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分别为192MPa，7％和60HV，比基体的仅提高了18.7%，9.9%和13.5%；通过以上两组实验对比，氧化石墨烯增强镁基复合材料无论在屈服强度抗拉强度，伸长率以及硬度上都是最好的。关键词：碳纳米管、石墨烯纳米片、氧化石墨烯、AZ91镁合金1绪论石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方

3、式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。因为具有十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展，作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。镁呈银白色，熔点649℃，质轻，密度为1.74g／cm3，约为铜的1/4、铝的2／3；其化学活性强，与氧的亲合力大，常用做还原剂。粉状或细条状的镁，在空气中很易燃烧，燃烧时发出眩目的白光。但极易溶解于有机和无机酸中。镁能直接与氮、硫和卤

4、素等化合。金属镁无磁性，且有良好的热消散性。质软，熔点较低。镁应用相当广泛，比如镁是燃烧弹和照明弹不能缺少的组成物；镁粉是节日烟花必需的原料。目前，镁基复合材料大都主要是以镁化合物、铸镁或者镁合金为基体，以SiC颗粒或晶须、Al2O3颗粒或纤维、碳（石墨）纤维、镁合金、Al18B4O33颗粒或晶须、镁化合物等为增强相。石墨烯(Graphene,GN)，作为纳米碳材料的“明星”成员，它们具有极高的强度和韧性，其抗拉强度都可达到钢的100倍以上(大于50GPa)，弹性模量可达到1TPa以上，远远超过纳米SiC的强度和弹性模量(420-450GPa)，是迄今为止，强度和模量最高的材料之一，它们

5、超强的力学性能可以极大地改善复合材料强度和韧性。此外,碳纳米管和石墨烯还具有超强的高温稳定性(在无氧3000℃条件下可保持很好的结构稳定性)和优异的导电和导热性能，超强的高温稳定性使它们非常有利于作为金属基复合材料的增强体。镁合金具有热稳定性高、导热性好、电磁屏蔽能力强和阻尼性能好等优点，已被广泛应用于移动电话、电脑、摄像机等电子产品中。在航空、航天方面，镁合金因密度小，比强度高可有效地减轻航2空、航天零部件的质量，减重效果可带来明显的经济效益和显著的性能改善，科研工作者也不断尝试将石墨烯与Al、Mg、Cu等金属基体复合以得到性能优良的复合材料。伴随石墨烯研究热潮的不断推进，基于石墨烯优

6、良的物理化学性能，人们也试图将石墨烯引入到金属基复合材料中，期望利用其某一或某些特性对金属基体的性能进行强化。目前，诸多文献已提到用石墨烯来强化Al、Cu、Ni等金属基体，且石墨烯对以上金属基体都能起到良好的强化作用。在镁基体中添加石墨烯作为增强体是一种以不增加镁合金比重为前提，并且能有效改善镁合金线性膨胀热稳定性，提高合金抗拉强度的可行方法。但由于镁本身的化学性质较活泼，很容易在制备过程中发生化学反应，因此对于以镁或镁合金作为基体的复合材料而言，应严格控制制备过程中的工艺参数，防止界面处的不良反应。目前，镁基复合材料的制备工艺还有待于改进和完善，其准确的复合机理、界面处的强化机制等建设

7、性的研究还不是相当全面。与传统的颗粒、晶须和纤维增强镁基复合材料不同，对石墨烯增强镁基复合材料而言，石墨烯在镁基体中的形态为片状，因此关于这方面的研究将又是一种新的研究方向。镁基复合材料的主要特点是低密度、高比强度和比刚度、良好的耐磨性、良好的耐高温性、良好的耐冲击性、优良的减震性、良好的尺寸稳定性、良好的铸造性以及优异的电磁屏蔽性能等。由于存在低熔点，高化学活性，易燃，易氧化等特点，有关适合镁基复合材料的制备工艺一直以来是人们研究