石墨烯/铝合金复合材料的制备与性能研究

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7075铝合金具有密度低、强质比高、导电导热性能佳、耐腐蚀性能好等优异性能,被普遍用于军用飞机、电子器件以及工业生产等多个领域。随着社会技术的进步,性能更优异的材料被迫切需要。石墨烯因力学性能优异,常被添加到复合材料中提高其性能。本文以7075铝合金为基体材料,石墨烯纳米片(GNPs)为增强体,采用放电等离子烧结(SPS)工艺通过控制保温时间长短、改变石墨烯添加量、设置升温速率快慢和调试不同烧结温度来烧结复合材料,然后对制备的复合材料进行手工打磨水处理、打磨机抛光和流水线切割后取得加工后的样片,再通过聚焦离子束扫描电镜双束工作站、X射线衍射分析仪以及高分辨显微拉曼光谱仪进行表征,研究了不同烧结工艺(GNPs含量、烧结温度、保温时间、升温速率)烧结得到的7075铝合金材料和GNPs/铝合金复合材料的耐腐蚀性能、力学性能的变化情况。主要得到以下结论:(1)GNPs/铝合金复合材料的最佳烧结工艺条件为:烧结温度为550℃,烧结时升温阶段升温速率为50℃/min,GNPs含量为0.3%,,烧结阶段对粉末施加轴向压力为50MPa,维持晶粒长大的保温时间为6min。采用最佳工艺进行烧结得到的7075铝合金基体致密度为95.1%,GNPs/铝合金复合材料致密度为93.1%由于GNPs添加,使得致密度有所下降;通过最佳工艺条件烧结得到的复合材料平均摩擦系数为0.3117,磨损率为0.00377mm3/(N﹒m),分别比7075铝合金基体降低了43.1%和23.8%;维氏硬度为144.9HV,比7075铝合金基体提高了26.6%。(2)对不同烧结温度、保温时间、升温速率制备的7075铝合金及GNPs/铝合金复合材料的致密度、力学性能进行了研究。结果表明,7075铝合金和GNPs/铝合金的致密度随着烧结温度升高和保温时间增加都呈先增加后减少趋势;两种复合材料的硬度随着烧结温度升高和保温时间增加都呈先增加后减少趋势,随升温速率增加而逐渐下降;两种复合材料的摩擦系数和磨损率随温度升高都呈先减小后升高趋势。(3)拉曼光谱分析证明了复合材料中GNPs的存在;通过扫描电镜观察复合材料断口形貌,结果表明,GNPs在铝合金基体中能够均匀分散且界面结合较好;相结构图谱出现了较弱GNPs的峰,未出现Al2O3、Al4C3特征峰。(4)相同烧结工艺条件下,GNPs/铝合金复合材料的显微硬度均高于7075铝合金材料,GNPs/铝合金复合材料的致密度均低于铝合金材料,GNPs/铝合金复合材料的摩擦系数、磨损率均低于7075铝合金材料。(5)使用动电位极化曲线和电化学阻抗谱分析了不同石墨烯含量复合材料的腐蚀情况,结果表明,7075铝合金材料具有最高的腐蚀电位,最小的腐蚀电流密度和最大的阻抗,耐腐蚀性能最好;0.3%GNPs含量的复合材料具有最低的腐蚀电位,最大的腐蚀电流密度和最小的阻抗,耐腐蚀性能最差。这是由于一方面作为增强相石墨烯出现在铝合金表面,会割裂铝合金表面的氧化膜;另一方面复合材料中的GNPs中的碳与铝基体构成了微电偶腐蚀原电池,加剧腐蚀;此外石墨烯与铝基体本身润湿性较差造成材料表面具有微裂纹易被腐蚀。两种材料的腐蚀产物发展方式不同,7075铝合金材料主要是以块状腐蚀物开始发展,而GNPs/铝合金复合材料腐蚀时会产生大量微小的麻点慢慢侵蚀并扩展整个试样。
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