石墨烯增强镁基复合材料

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纳米氧化石墨烯增强增韧水泥基复合材料的微观结构及作用机理

水，反应物变为金黄色，继续反应３０ｍｉｎ。离心沉淀、去
起着粘接作用的硬化水泥浆体引起的，而水泥浆体又主要是由水泥水化过程所产生的钙矾石（ＡＦｔ）、单硫型水合硫酸铝（ＡＦｍ）、氢氧化钙（ｃＨ）和水合硅酸钙（Ｃ－Ｈ）凝胶等组成，他们呈现的棒状、针状结构是其高脆性的根源。增强材料虽然提高了水泥基复合材料的整体强度和韧性，但是却无法改变其中硬化水泥浆体的脆性结构及由此产生的裂缝问题，这也是造成水泥基复合材料的性能下降及使用寿命缩短的主要原因。因此，解决水
０４ｏ８４
文章编号：１００１ — ９７３１（２０１４）０４ — ０４Ｏ８４ — ０６
助
Hale Waihona Puke 材料２Ｏ１４年第４期（４５）卷
纳米氧化石墨烯增强增韧水泥基复合材料的微观结构及作用机理
吕生华，刘晶晶，邱超超，马宇娟，周庆芳
（陕西科技大学资源与环境学院，西安７１００２１）
摘要：通过氧化反应和超声波分散作用制备了不同含氧量氧化石墨烯（ＧＯ）纳米分散液，研究了Ｇｏ氧
含量、用量和水化时间对水泥基复合材料微观结构和
制造。Ｄ／ｍａｘ２２００ＰＣ型Ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ），日本理学公司。ＪＥＳ－３００型抗折抗压试验机，ＳＬＮ一１水泥

石墨烯增强金属复合材料的电子应用

石墨烯增强金属复合材料的电子应用石墨烯，作为一种新型的二维材料，因其卓越的导电和导热性能，引起了广泛的研究兴趣。

近年来，人们发现将石墨烯与金属复合，可以大幅度提升复合材料的性能，尤其在电子应用领域中具有重要的潜力。

本文将探讨石墨烯增强金属复合材料在电子领域中的应用，涉及增强导电性能、提高器件性能和实现柔性电子器件三个方面。

一、增强导电性能石墨烯具有极高的电子迁移率和导电性能，而金属则具有较低的电阻率和良好的导电性能。

将二者复合后，石墨烯可以作为金属材料的导电网络，从而提供更好的导电性能。

通过控制石墨烯的含量和分散性，可以实现复合材料的导电性能的调控。

这为电子元器件和热管理领域提供了一种新的解决方案。

二、提高器件性能石墨烯增强金属复合材料在各种电子器件中都发挥了积极的作用。

以柔性显示器为例，常规的金属导电层常常出现折叠和断裂的问题，而石墨烯增强的金属复合材料可以有效地解决这一问题。

石墨烯的柔性和强度使得复合材料具备抗折叠和抗断裂的特性，从而提高了器件的稳定性和可靠性。

此外，石墨烯增强金属复合材料还可以应用于智能穿戴设备、传感器和太阳能电池等领域。

在智能穿戴设备中，复合材料的高导电性和柔性特性可以提供更好的电流传输和易于弯曲的特性，使得设备更轻薄舒适。

在传感器领域，复合材料的高导电性和高灵敏度可以提高传感器的检测性能。

在太阳能电池中，复合材料的高导电性可以增强电荷传递效率，从而提高能量转换效率。

三、实现柔性电子器件石墨烯增强金属复合材料具备优异的柔性和可塑性，使得其在柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。

通过将复合材料应用于柔性电路板、柔性传感器和可穿戴设备等领域，可以实现更加轻薄、柔性和可弯曲的电子器件。

石墨烯增强金属复合材料的优异电子性能和柔性特性相结合，将为柔性电子器件的发展提供良好的技术支持。

综上所述，石墨烯增强金属复合材料在电子应用领域中具有重要的潜力。

通过优化石墨烯的含量和分散性，可以实现复合材料的导电性能的提升，从而在电子器件中发挥积极作用。

石墨烯复合材料

石墨烯复合材料复合材料，即是将两种或两种以上不同品质的材料，通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能材料，其中连续相为基体，其他相组分为增强体。

依据金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等的不同组合，可构成不同的复合材料体系。

在复合材料中，各种组成材料的互相作用在性能上产生协同效应，从而使材料的综合性能或某些特性优于原来的组成材料，因此可以满足各种不同的需求。

复合材料应用扩张的趋势十分迅猛，《中国制造2025》提出的重点发展的十大领域中，复合材料可在其中八个领域内发挥重要作用。

随着新的复合材料增强体和基体的不断涌现，纳米复合材料、智能复合材料和结构功能一体化复合材料等将成为复合材料发展的新方向。

石墨烯是在2004年成功制备出的一种新型材料，其中碳原子互相以共价键形成平面结构。

石墨烯具有许多优异的物理化学特性，近年来受到学术和产业界的高度重视，成为一种明星材料。

将石墨烯作为复合材料的组分之一，利用其高性能的特点提升现有复合材料的性能，或设计各种新型的复合材料，已成为科学与工程领域中的一个热点问题。

1.1 石墨烯的结构、性质与制备方法1.1.1 石墨烯的结构与性质石墨烯，是2004年由Andre Geim和Kanstantin Novoselov两位科学家制备出的一种全新的二维材料。

石墨烯是由碳原子之间互相以sp2杂化轨道键合形成蜂窝状结构的原子单层，厚度仅为0.34nm。

相邻的原子层则是以范德瓦尔斯力相互结合在一起。

在其原子层的内部，各个碳原子以p z轨道形成离域π键，赋予石墨烯特有的电子性能。

相对于层内的共价键，石墨烯层间的范德瓦尔斯作用力在强度上要弱一些，这使得石墨烯具有易于剥离的特性。

通过机械剥离法可以从石墨原料制备出一层或少层的石墨烯，也是基于这一原理。

作为一种二维材料，石墨烯和体相的石墨材料具有显著的差别。

在层数由多层降为少层之后，碳原子所处的晶格势场发生了改变，形成了特殊的电子结构。

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研究进展【摘要】石墨烯是一种具有优异性能的纳米材料，在铝基复合材料中的应用备受关注。

本文综述了石墨烯增强铝基复合材料的研究进展。

首先介绍了石墨烯在复合材料中的应用优势，然后详细探讨了石墨烯对铝基复合材料性能的影响、制备方法及工艺优化、性能测试及表征分析以及石墨烯分散度和界面相容性研究。

接着讨论了石墨烯增强铝基复合材料的应用领域拓展及展望。

最后总结了石墨烯增强铝基复合材料的发展趋势，提出了未来研究方向，并强调了其重要性及意义。

研究表明，石墨烯对铝基复合材料性能的提升具有重要价值，未来有望在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。

【关键词】石墨烯增强铝基复合材料，研究进展，性能影响，制备方法，工艺优化，性能测试，表征分析，分散度，界面相容性，应用领域，发展趋势，未来研究方向，重要性，意义。

1. 引言1.1 石墨烯增强铝基复合材料的研究背景石墨烯增强铝基复合材料是一种新型的复合材料，具有在轻量化、强度、硬度、导电性和导热性方面优秀的性能，引起了广泛的研究兴趣。

铝是一种轻质、耐腐蚀的金属材料，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。

铝的力学性能相对较低，容易发生塑性变形和疲劳破坏，限制了其应用范围。

1.2 石墨烯在复合材料中的应用优势1. 高强度：石墨烯具有出色的机械性能，是世界上最强硬的材料之一，比钢强度还高。

将其添加到铝基复合材料中可以显著提高复合材料的强度和硬度。

2. 轻质：石墨烯的密度极低，仅为铝的0.77%，因此可以有效降低复合材料的密度，使其更轻便。

3. 良好的导热性和导电性：石墨烯具有优异的导热和导电性能，可以改善复合材料的导热和导电性能，提高其传热和传电效率。

4. 耐腐蚀性：石墨烯具有优秀的耐腐蚀性，可以有效延长复合材料的使用寿命。

综合以上优势，石墨烯在铝基复合材料中的应用具有巨大的潜力，可以为各个领域提供更高性能的材料解决方案。

2. 正文2.1 石墨烯对铝基复合材料性能的影响石墨烯具有优异的导热性和导电性，能够有效提高铝基复合材料的导热性和导电性能。

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。

石墨烯增强钛基复合材料研究进展

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 Engineering[J],2015,39(2):67-72.[4]㊀黄陆军,耿林.航空材料学报[J],2014,34(4):126-138.HUANG L J,GENG L.Journal of Aeronautical Materials[J],2014, 34(4):126-138.[5]㊀赵永庆.中国材料进展[J],2010,29(5):1-9.ZHAO Y Q,Materials China[J],2010,29(5):1-9.[6]㊀WANG X,WANG L,LUO L,et al.Materials&Design[J],2017,121:335-344.[7]㊀赵永庆,葛鹏,辛社伟.中国材料进展[J],2020,39(7/8):527-534.ZHAO Y Q,GE P,XING S W.Materials China[J],2020,39(7/8): 527-534.[8]㊀LEE C,WEI X,KYSAR J W,et 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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。

「石墨烯复合材料的研究及其应用」

「石墨烯复合材料的研究及其应用」石墨烯是由碳原子组成的二维晶格结构，在2004年被发现后，引起了全球范围内的广泛关注和研究。

由于其具有独特的物理、化学和机械性质，石墨烯被认为是未来材料领域的重要突破之一、石墨烯复合材料是将石墨烯与其他材料结合起来，以获得更好的性能和特性。

石墨烯复合材料的研究主要围绕着两个方面展开：一方面是石墨烯增强的复合材料，另一方面是石墨烯填充的复合材料。

石墨烯增强的复合材料是指通过将石墨烯与传统材料结合，以提高其力学性能和导电性能。

石墨烯具有极高的弹性模量和强度，可以增强材料的刚度和强度，同时具有优异的导电性能，可以提高电气导体的性能。

石墨烯增强的复合材料在航空航天、汽车制造、能源存储等领域具有广泛的应用前景。

例如，石墨烯增强的聚合物复合材料可以作为轻量化的结构材料，用于制造航空器和汽车的零件；石墨烯增强的金属复合材料可以用于制造高强度和高导电性的电极材料，应用于锂离子电池和超级电容器。

石墨烯填充的复合材料是将石墨烯作为填充剂加入到其他材料中，以改善其性能和特性。

石墨烯具有高比表面积和优异的导热性能，可以提高复合材料的导热性能。

石墨烯填充的复合材料在导热材料、润滑材料、防腐材料等方面具有广泛的应用前景。

例如，石墨烯填充的聚合物复合材料可以用于制造导热塑料和导热胶，应用于电子封装和散热器的制造；石墨烯填充的润滑材料可以用于制造高性能的润滑剂，应用于摩擦副的减摩和耐磨。

石墨烯复合材料的研究还面临一些挑战和困难。

首先，石墨烯的生产成本较高，限制了大规模应用的发展。

其次，石墨烯的稳定性和分散性需要进一步改善，以获得均匀分散和稳定的复合材料。

此外，石墨烯复合材料的性能与石墨烯添加量、分散性和界面相互作用等因素密切相关，需要深入研究。

总的来说，石墨烯复合材料具有广阔的应用前景，可以应用于航空航天、汽车制造、能源存储等领域。

随着石墨烯制备技术的发展和石墨烯复合材料研究的深入，石墨烯复合材料的性能将得到进一步提升，为未来材料领域的创新做出贡献。

石墨烯基复合材料的制备与性能研究

石墨烯基复合材料的制备与性能研究石墨烯是一种单层碳原子排列成的二维晶体，具有极高的强度、导电性和导热性。

在过去的几年里，石墨烯在材料科学领域引起了广泛的关注。

为了进一步发展石墨烯的应用，研究人员开始将石墨烯与其他材料相结合，形成石墨烯基复合材料。

这些复合材料具有优异的性能和多样化的应用前景。

本文将探讨石墨烯基复合材料的制备方法以及其性能研究。

一、石墨烯基复合材料的制备方法1. 化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是一种常用的制备大面积石墨烯的方法。

该方法通过在金属衬底上加热挥发的碳源，使其在高温下与金属表面反应生成石墨烯。

石墨烯的生长在具有合适结晶特性的金属表面上进行，如铜、镍等。

CVD法制备的石墨烯可以获得高质量、大尺寸的单层石墨烯。

2. 液相剥离法液相剥离法是一种以石墨为原料制备石墨烯的方法。

通过在石墨表面涂覆一层粘性聚合物，然后利用粘性聚合物与石墨之间的相互作用力，将石墨从衬底上剥离，最终得到石墨烯。

这种方法能够制备出大面积的石墨烯，并且使用简便、成本较低。

3. 氧化石墨烯还原法氧化石墨烯还原法是一种制备石墨烯的简单方法。

首先将石墨烯氧化生成氧化石墨烯，然后通过还原处理，还原为石墨烯。

该方法可以在实验室条件下进行，操作简单方便。

然而，由于氧化石墨烯的导电性较差，所得石墨烯的质量较低。

二、石墨烯基复合材料的性能研究1. 机械性能石墨烯具有出色的机械性能，其强度和刚度超过大多数材料。

石墨烯基复合材料的机械性能主要取决于基体材料和石墨烯的界面相互作用。

研究表明，合适添加石墨烯可以显著提升材料的强度和硬度。

2. 电学性能石墨烯具有优异的电学性能，可以用作电极材料、导电填料等。

石墨烯基复合材料在导电性能方面表现出色，可以用于制备柔性电子器件、传感器等。

3. 热学性能由于石墨烯的热导率高达3000-5000 W/(m·K)，石墨烯基复合材料在热学性能方面具有巨大的潜力。

石墨烯能够显著提高基体材料的热导率，因此可以应用于散热材料、热界面材料等领域。

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研究进展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、电化学沉积、热压、喷涂等多种技术。

机械合金化是将经过预处理的石墨烯与铝粉进行球磨混合，然后经过热压、热处理等工艺制备而成。

电化学沉积是将石墨烯通过电解液在铝基材料表面沉积而成。

热压是将石墨烯与铝粉混合后进行热压成型。

喷涂则是将石墨烯分散在液态载体中，通过喷涂技术在铝基材料表面喷涂而成。

这些方法各有优劣，可以根据具体需求选择合适的制备工艺。

二、石墨烯增强铝基复合材料的性能石墨烯增强铝基复合材料具有优异的性能，主要体现在以下几个方面：1. 机械性能：石墨烯增强铝基复合材料具有极高的强度和硬度，具有优异的抗拉伸、抗弯曲和抗压性能。

2. 导热性能：石墨烯具有出色的导热性能，能够有效提高铝基材料的导热性能，有助于提高复合材料的散热性能。

3. 耐腐蚀性能：石墨烯具有优异的化学稳定性，能够提高铝基材料的耐腐蚀性能，延长材料的使用寿命。

4. 密封性能：石墨烯增强铝基复合材料的表面平整度高、无毛刺，密封性好，可广泛应用于需要高密封要求的场合。

5. 其他性能：石墨烯增强铝基复合材料还具有较好的耐磨性、耐疲劳性和减震性能，可满足不同领域对材料性能的要求。

近年来，石墨烯增强铝基复合材料的研究进展迅速，不断涌现出新的制备工艺和性能优化方法。

从制备工艺上来看，热压技术制备的石墨烯增强铝基复合材料具有高密度、界面结合强度高的特点，能够有效提高材料的力学性能；而喷涂技术制备的复合材料则具有成本低、生产效率高的优势，能够满足大规模生产的需求。

在性能研究中，研究者们通过调控石墨烯的分散度、改善石墨烯与铝基材料的界面结合强度等途径，不断提高石墨烯增强铝基复合材料的综合性能。

还有研究表明，在石墨烯增强铝基复合材料中引入纳米碳管、氧化铝等纳米颗粒能够显著提高材料的力学性能和耐磨性能，为复合材料的性能优化提供了新的思路。

石墨烯增强铝基复合材料具有广泛的应用前景。

《石墨烯复合对Mg3Sb2基材料热电性能的影响研究》范文

《石墨烯复合对Mg3Sb2基材料热电性能的影响研究》篇一一、引言随着材料科学技术的快速发展，新型的纳米材料因其优异的性能而受到广泛关注。

石墨烯作为二维材料的代表，其出色的物理化学特性在多种材料复合应用中具有广泛前景。

在热电材料领域，Mg3Sb2基材料因具有较好的热电性能而被视为研究热点。

因此，将石墨烯复合至Mg3Sb2基材料中，对于提高其热电性能具有重要的研究价值。

本文就石墨烯复合对Mg3Sb2基材料热电性能的影响进行深入研究。

二、实验方法本实验采用石墨烯与Mg3Sb2基材料进行复合，通过高温固相反应制备出复合材料。

首先，对原料进行预处理，然后按照一定比例将石墨烯与Mg3Sb2基材料混合均匀，在高温下进行固相反应，制备出复合材料。

通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段对复合材料的结构和形貌进行表征。

三、结果与讨论1. 结构与形貌分析通过XRD分析，我们发现石墨烯与Mg3Sb2基材料成功复合，且复合后材料的晶体结构没有发生明显变化。

SEM图像显示，石墨烯片层在Mg3Sb2基材料中分布均匀，形成了良好的复合结构。

2. 热电性能分析实验结果显示，石墨烯的引入显著提高了Mg3Sb2基材料的热电性能。

具体表现为，复合材料的热导率有所降低，而电导率则有所提高。

这主要是由于石墨烯的高导热性能和优异电导性能的共同作用。

此外，石墨烯的引入还有助于提高Seebeck系数，进一步提高了材料的热电性能。

四、机理分析石墨烯的高导热性能和优异电导性能是提高Mg3Sb2基材料热电性能的关键。

首先，石墨烯片层在材料中形成导热网络，有效地降低了材料的热导率。

其次，石墨烯的引入提供了更多的电子传输通道，从而提高了材料的电导率。

此外，石墨烯的引入还有助于优化材料的能带结构，提高Seebeck系数。

这些因素的共同作用，使得石墨烯复合的Mg3Sb2基材料具有优异的热电性能。

五、结论本研究通过将石墨烯与Mg3Sb2基材料进行复合，成功提高了其热电性能。

复合材料PPT脚本

1.今天我选择的题目是，石墨烯增强镁基复合材料，将从以下几个方面做简单介绍，石墨烯增强镁基复合材料的研究背景、镁基复合材料研究现状、镁基复合材料制备工艺、石墨烯复合材料性能影响以及发展前景。

（下一页）2.讲到石墨烯增强镁基复合材料，首先就要谈一下石墨烯，石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方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”。

（下一页）3.简单介绍一下镁，它呈银白色，熔点649℃，质轻，密度为1.74克／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；（下一页）4.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。

（下一页）5.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50 GPa)，弹性模量可达到1 TPa 以上，远远超过纳米Si C的强度和弹性模量(420-450 GPa)，是迄今为止，强度和模量最高的材料之一，它们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(在无氧和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。

石墨烯复合材料

石墨烯复合材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有极强的机械强度、导电性和热导性，因此被广泛应用于复合材料领域。

石墨烯复合材料是指将石墨烯与其他材料进行复合，以提高材料的性能和功能。

目前，石墨烯复合材料已经在航空航天、汽车制造、电子设备等领域得到了广泛的应用。

首先，石墨烯复合材料具有优异的机械强度。

石墨烯本身具有非常高的强度和韧性，能够有效增强复合材料的整体强度和硬度。

与传统材料相比，石墨烯复合材料更轻更薄，但却具有更高的强度和耐磨性，因此在航空航天领域得到了广泛的应用。

其次，石墨烯复合材料具有优异的导电性能。

石墨烯是一种优良的导电材料，能够有效提高复合材料的导电性能。

在电子设备制造领域，石墨烯复合材料可以用于制造柔性电路板、导电薄膜等产品，大大提高了电子设备的性能和可靠性。

另外，石墨烯复合材料还具有优异的热导性能。

石墨烯具有非常高的热导率，可以有效地将热量传导出去，因此在汽车制造领域得到了广泛的应用。

石墨烯复合材料可以用于制造散热片、发动机零部件等产品，提高了汽车的燃烧效率和安全性能。

总的来说，石墨烯复合材料具有优异的机械强度、导电性和热导性能，已经在航空航天、汽车制造、电子设备等领域得到了广泛的应用。

随着石墨烯制备技术的不断进步，相信石墨烯复合材料在未来会有更广阔的发展空间，为各个领域带来更多的创新和突破。

石墨烯基复合材料的制备及性能分析

石墨烯基复合材料的制备及性能分析石墨烯是一种新型的碳材料，由于其独特的结构和优异的性能，被广泛应用于材料科学领域。

石墨烯基复合材料作为一种将石墨烯与其他材料复合而成的新材料，具有石墨烯的优势和复合材料的多功能性，因此在材料制备和性能分析方面备受关注。

一、石墨烯基复合材料的制备方法目前，制备石墨烯基复合材料的方法主要包括机械混合法、溶液处理法和化学气相沉积法等。

机械混合法是最简单的制备方法，将石墨烯和其他材料进行物理混合。

这种方法操作简单，成本低廉，但是石墨烯与其他材料的界面结合较弱，对复合材料性能的提升有限。

溶液处理法是通过将石墨烯分散于溶液中，与其他材料形成复合体。

这种方法不仅能够提高石墨烯与其他材料的界面结合，还可以调控复合体的结构和性能。

然而，溶液处理法对石墨烯的分散性要求较高，操作复杂。

化学气相沉积法是一种高温气相合成法，通过在金属基底上沉积石墨烯。

这种方法制备的石墨烯基复合材料具有较高的结晶质量和界面结合强度，但是设备要求高、制备时间长。

二、石墨烯基复合材料的性能分析石墨烯基复合材料的性能主要包括力学性能、导电性能和热学性能等。

力学性能是衡量材料抗拉、抗压、抗弯等力学性能的指标。

石墨烯具有极高的强度和刚度，因此能够大幅提升复合材料的力学性能。

石墨烯基复合材料的强度和刚度通常随着石墨烯含量的增加而增加，但是当石墨烯含量过高时，由于石墨烯的堆叠导致复合材料的脆性增加。

导电性是衡量材料传导电流的性能指标。

石墨烯是一种具有优异导电性的材料，其导电性能主要取决于石墨烯的层数和形态。

石墨烯基复合材料通常具有较好的导电性能，且导电性能能够随着石墨烯含量的增加而增加。

热学性能是衡量材料导热性能的指标。

石墨烯具有很高的导热性能，因此能够显著提高复合材料的导热性能。

石墨烯基复合材料的导热性能通常随着石墨烯含量的增加而增加，但是石墨烯的堆叠也会对导热性能产生一定的影响。

除了上述性能分析，石墨烯基复合材料还具有其他一些特殊的性能。

《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》范文

《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，新型材料的研究与开发在众多领域中显得尤为重要。

其中，石墨烯增强铜基复合材料因其卓越的物理和化学性能，被广泛应用于电子、机械、能源等众多领域。

本文将详细介绍石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，并对其性能进行深入研究。

二、石墨烯增强铜基复合材料的制备1. 材料选择与预处理首先，选择高纯度的铜粉和石墨烯作为原材料。

石墨烯需经过氧化处理，以提高其与铜基体的相容性。

将铜粉和氧化处理后的石墨烯按照一定比例混合，进行充分的搅拌和球磨，使其充分混合均匀。

2. 制备过程采用真空热压法制备复合材料。

在高温和高真空度的环境下，使铜粉和石墨烯混合物热压成坯体。

在热压过程中，控制压力、温度和时间等参数，以保证材料的致密性和性能。

3. 制备后处理将制备得到的坯体进行热处理，以消除内部应力，提高材料的致密度和性能。

然后对材料进行切割、研磨和抛光等加工，得到所需的样品。

三、石墨烯增强铜基复合材料的性能研究1. 力学性能通过硬度测试、拉伸测试等方法，研究石墨烯增强铜基复合材料的力学性能。

实验结果表明，添加适量的石墨烯可以显著提高铜基复合材料的硬度、抗拉强度和延伸率等力学性能。

2. 电学性能采用电阻率测试、导电性能测试等方法，研究石墨烯对铜基复合材料电学性能的影响。

实验结果表明，石墨烯的加入可以显著提高铜基复合材料的导电性能。

3. 热学性能通过热导率测试、热稳定性测试等方法，研究石墨烯对铜基复合材料热学性能的影响。

实验结果表明，石墨烯的加入可以显著提高铜基复合材料的热导率和热稳定性。

四、结论本文通过真空热压法制备了石墨烯增强铜基复合材料，并对其力学、电学和热学性能进行了深入研究。

实验结果表明，添加适量的石墨烯可以显著提高铜基复合材料的各项性能。

因此，石墨烯增强铜基复合材料在电子、机械、能源等领域具有广泛的应用前景。

然而，本研究仍存在一定局限性，如石墨烯的分散性和与铜基体的界面相互作用等因素可能对材料的性能产生影响。

《石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究》

《石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究》一、引言随着科技的飞速发展，复合材料因其在物理、化学、机械等性能上的优异表现，正逐渐成为科研和工业领域的热门研究对象。

石墨烯增强铜基复合材料以其卓越的导电性、强度和韧性等特性，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子通讯等领域。

本文旨在探讨石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺，并对其性能进行深入研究。

二、制备工艺1. 材料选择制备石墨烯增强铜基复合材料的主要原料为高纯度铜粉、石墨烯以及适量的添加剂。

其中，石墨烯的添加量对复合材料的性能具有重要影响。

2. 制备过程（1）将高纯度铜粉与适量的添加剂混合，进行预处理。

（2）将预处理后的铜粉与石墨烯进行混合，采用球磨法或搅拌法将两者均匀混合。

（3）将混合后的粉末进行压制成型，制成所需的形状和尺寸。

（4）将成型后的材料进行烧结处理，使其达到所需的密度和性能。

三、性能研究1. 机械性能通过对石墨烯增强铜基复合材料进行拉伸、压缩等实验，研究其机械性能。

实验结果表明，随着石墨烯含量的增加，复合材料的强度和韧性均有所提高。

此外，复合材料还具有良好的耐磨性和抗疲劳性能。

2. 物理性能石墨烯增强铜基复合材料具有优异的导电性和导热性。

通过电阻率、热导率等实验数据，可以证明复合材料在电子、电器等领域的应用潜力。

3. 化学性能在化学腐蚀、高温氧化等环境下，石墨烯增强铜基复合材料表现出良好的稳定性。

这得益于石墨烯的添加，使得复合材料具有优异的耐腐蚀性和抗氧化性。

四、应用前景石墨烯增强铜基复合材料在航空航天、汽车制造、电子通讯等领域具有广泛的应用前景。

例如，在航空航天领域，其高强度、高韧性的特点使其成为制造飞机、火箭等设备的理想材料；在汽车制造领域，其优异的导电性和导热性以及良好的耐磨性，有助于提高汽车的能效和安全性；在电子通讯领域，其优异的物理和化学性能使其成为制造高性能电子元件的关键材料。

五、结论本文通过对石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能进行深入研究，证明了该复合材料在机械性能、物理性能和化学性能方面均表现出色。

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研究进展石墨烯是一种具有单层碳原子构成的二维材料，其具有优异的导电性、热导性和力学性能，因此被广泛应用于各种领域。

在复合材料领域，石墨烯可以作为增强剂，与其他材料复合，形成石墨烯增强复合材料，以提高材料的性能。

铝基复合材料是一种重要的结构材料，在航空航天、汽车制造、建筑等领域有着广泛的应用。

本文将从石墨烯增强铝基复合材料的制备方法、性能及应用领域等方面进行综述，以全面了解石墨烯增强铝基复合材料的研究进展。

一、石墨烯增强铝基复合材料的制备方法1. 液相混合法液相混合法是一种简单易行的石墨烯增强铝基复合材料制备方法。

首先将石墨烯悬浮液与铝粉混合，然后通过挤压、热压等工艺将混合物加工成坯料，最后进行烧结得到石墨烯增强铝基复合材料。

这种方法简单易行，适用于大规模生产。

2. 机械合金法机械合金法是通过高能球磨等机械手段将石墨烯和铝粉混合，形成混合粉末，然后通过热压或等离子热处理等方法将混合粉末加工成坯料，最终得到石墨烯增强铝基复合材料。

该方法能够在保持石墨烯完整性的同时实现与铝的均匀分散，制备得到性能优异的复合材料。

3. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种制备高质量石墨烯的方法，通过气相沉积的方式在铝表面沉积石墨烯薄膜，形成石墨烯增强的铝基材料。

该方法可以实现对石墨烯的精确控制，制备得到高性能的石墨烯增强铝基复合材料。

二、石墨烯增强铝基复合材料的性能1. 机械性能石墨烯具有优异的机械性能，其强度和刚度都远远高于传统的增强材料，因此能够显著提高铝基复合材料的强度和刚度。

研究表明，添加适量的石墨烯能显著提高铝基复合材料的抗拉强度、硬度和抗疲劳性能。

2. 热性能石墨烯不仅具有高导热性，还具有优异的隔热性能，能够有效提高铝基复合材料的导热性能和耐高温性能。

研究表明，添加石墨烯后的铝基复合材料具有更高的导热系数和更低的热膨胀系数，适用于高温环境下的应用。

三、石墨烯增强铝基复合材料的应用领域1. 航空航天领域石墨烯增强铝基复合材料具有优异的力学性能和热性能，能够满足航空航天领域对轻质高强材料的需求。

石墨烯增强金属基块体复合材料的制备技术

石墨烯增强金属基块体复合材料的制备技术叶煜松; 江炜; 曹霞; 沈琰; 张丹丹【期刊名称】《《世界有色金属》》【年(卷),期】2019(000)016【总页数】2页(P117-118)【关键词】石墨烯; 金属基复合材料; 制备工艺【作者】叶煜松; 江炜; 曹霞; 沈琰; 张丹丹【作者单位】常州工学院江苏常州 213032【正文语种】中文【中图分类】TB333金属基复合材料综合性能良好，已经在交通、电力电子、航空航天等领域占有举足轻重的地位。

其中，石墨烯增强金属基复合材料是当前研究的热点。

石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的二维材料，具有表面积大、电子迁移率高、导热性好、力学强度高等特点。

在过去近十年中，研究人员对石墨烯增强金属基复合材料进行了深入的研究和开发，绝大多数报道指出分散均匀且与基体结合良好的石墨烯能够明显改善复合材料的性能。

按照加工过程中金属基体的状态，可将金属基复合材料的制备技术分为固相和液相两类。

前者是通过烧结金属和增强体的混合粉末制备块体复合材料，而后者是将增强体添加到液态金属基体中后冷却结晶获得复合材料。

本文总结了石墨烯（及其衍生物）增强金属基复合材料的制备技术。

1 石墨烯增强金属基复合材料制备的固相技术粉末冶金法是用于制备金属基复合材料的经典方法，制备温度较低，工艺成熟、简单，已被广泛地应用于石墨烯增强金属基复合材料的研究和生产中。

粉末冶金法的基本步骤包括增强体与金属基体粉末混合，混合粉末预压和生坯的烧结成形加工等。

石墨烯在基体中的分散程度很大程度上取决于混合粉末的制备过程，而石墨烯和基体之间的界面结合则可能受到混粉和烧结工艺的影响。

1.1 传统粉末冶金法在传统粉末冶金法中，一般采用球磨的方式制备石墨烯与金属基体的混合粉末。

Chu等[1]通过3h的高速球磨（1200rpm）将不同含量的石墨烯GNPs添加到铜粉中，并利用预压、真空热压烧结制备出GNPs/Cu复合材料。

当GNPs的体积分数为8%（对应的质量分数约为2.1wt.%）时，复合材料的屈服强度和弹性模量分别比纯铜提高了114%和37%。

一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法[发明专利]

专利名称：一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：王朝辉,刘飞翔,杜文博,杜宪,李淑波,刘轲,赵晨辰申请号：CN201910157541.8
申请日：20190301
公开号：CN109680176A
公开日：
20190426
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法，属于复合材料及其制备技术领域。

通过湿混分散―减压干燥―挤压成形等系列工艺，得到石墨烯增强镁基复合材料。

本发明通过超声分散和机械搅拌，使得石墨烯均匀分散在无水乙醇中，后续的机械搅拌和减压蒸馏，使石墨烯和镁粉得到均匀的混合。

整个过程温度较低，避免了石墨烯的团聚和镁的氧化。

本发明所制备的石墨烯增强镁基复合材料具有优异的力学性能，复合材料的性能较基体合金有大幅度提高，其中屈服强度可达300MPa以上，抗拉强度达400MPa以上，延伸率不低于5％；此外，本发明的制备工艺简单、成本低，在汽车交通、航空航天、机械电子等领域具有广阔的应用前景。

申请人：北京工业大学
地址：100124 北京市朝阳区平乐园100号
国籍：CN
代理机构：北京思海天达知识产权代理有限公司
代理人：张立改
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