石墨烯增强镍基复合材料的原位制备及性能研究

作     者：张小雨 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘颖

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：原位生长 石墨烯/镍复合材料 力学性能 强韧化机理 摩擦学性能 耐磨减摩机理 

摘      要：石墨烯凭借其高强度、高传导、化学稳定以及轻质等特性,在结构-功能一体化镍基复合材料的开发方面显示出了巨大的应用前景。从目前的研究进展来看,石墨烯一方面能够形成有效的载荷传递、晶粒细化和弥散强化效应,从而改善复合材料的模量和力学强度;另一方面,大尺寸二维石墨烯片所形成的裂纹桥接、石墨烯的拨出、裂纹扩展阻碍、晶粒桥接等增韧效应均能进一步改善镍复合材料的塑性变形能力和断裂韧性。因此,石墨烯增强相加入Ni基体后,能够对镍复合材料产生有效的增强补韧作用,缓解目前镍基复合材料研究开发中存在的强度-塑性矛盾。与此同时,石墨烯纳米片层的面间滑动及其对金属基体强化后产生的界面接触应力减小也能够形成良好的减摩效应,提高材料的摩擦学性能,获得高耐磨的镍基复合材料。然而,由于石墨烯纳米片层间强范德华力引起的团聚以及石墨烯与Ni基体间界面结合强度低,石墨烯的增强效率并没有得到充分发挥。要想发展出综合性能优异的石墨烯/镍复合材料,目前仍然存在以下问题亟待解决:(1)发展新型制备技术,使石墨烯弥散分布并具备较强界面结合;(2)厘清石墨烯在镍基复合材料强韧化和耐磨减摩过程中的作用,明确复合材料的最优组分与构型。本论文研究克服了传统石墨烯/镍基复合材料粉末冶金技术的不足,基于碳元素的溶解-析出机制发展出一种简单的原位石墨烯/镍复合材料制备技术。该技术可以实现石墨烯在镍基体中的均匀分散,同时也能够不污染石墨烯/镍界面而改善两者间的界面结合强度,获得综合性能优异的石墨烯/镍复合材料。论文研究了不同石墨烯含量对复合材料微观组织、机械性能和摩擦磨损性能的影响规律,分析了复合材料组分-结构-性能之间的关联性,揭示了原位石墨烯/复合材料的强韧化机理和耐磨减摩机理,能够为高性能镍基复合材料的开发提供理论数据和实验支撑。主要研究结果包括:(1)考察了原位生长过程中固体碳源(PMMA)含量对石墨烯增强相结构、结晶性、取镍基体晶粒尺寸、形态和取向分布以及石墨烯/镍界面结构等微观组织结构的影响规律,发现固体碳源能够在原位生长过程转化成结构完整、结晶性较好的少层石墨烯。石墨烯与镍晶粒之间主要靠机械作用结合在一起,并且随着原位自生石墨烯增强相含量增加(从0.15 wt.%增加到0.6 wt.%),其对镍基体产生了显著的晶粒细化效应,材料的平均晶粒尺寸从8.78μm降低到5.66μm。这说明均匀分布的石墨烯增强相能够产生较强的Zener钉扎作用,抑制高温烧结过程中镍晶粒的长大。(2)对不同石墨烯含量的镍基复合材料的硬度和准静态拉伸力学性能进行测试,研究了石墨烯含量对复合材料硬度、屈服强度、断裂强度和塑性等力学性能参数的影响规律,分析了复合材料的塑性变形机理和失效机制。研究发现,石墨烯/镍复合材料的硬度、强度和塑性均随自生石墨烯含量呈先增后减的变化规律,并在石墨烯含量为0.3 wt.%时表现出最佳值。此时,其硬度、屈服强度、断裂强度和延伸率分别为148 HV、285 MPa、611 MPa和56%,较纯镍材料分别提高了32.8%、16.3%、34.3%和36%,显示出优于传统颗粒增强镍基复合材料的损伤容限和塑性变形能力。原位石墨烯对镍基复合材料的强化作用主要依靠细晶强化和载荷传递作用来实现,而裂纹桥接和石墨烯拉出机制则同时促进了其韧性的提升。(3)考察不同石墨烯含量的镍基复合材料在室温、大气环境下的摩擦学性能,分析了自生石墨烯含量对材料摩擦系数和磨损率的影响规律,探究了石墨烯/镍复合材料的耐磨减摩机制。研究发现,随着石墨烯含量的增加,复合材料的摩擦系数和磨损率呈现先减后增的变化规律,并在石墨烯含量为0.6 wt.%时达到最小值。石墨烯/镍复合材料的摩擦系数和磨损率减至0.254和4.385×10mm/N·m,分别较纯镍材料(摩擦系数0.607,磨损率1.51×10 mm/N·m)降低了58.2%和70.9%。从摩擦表面结构和化学组分变化来看,其摩擦学性能的提高主要与石墨烯润滑膜的形成和低的界面接触应力密切相关。一方面,石墨烯片层间的弱结合作用使其在摩擦过程易发生滑动而在接触界面形成连续润滑膜,在起到润滑作用的同时阻碍金属基体的氧化,所以复合材料的磨损率和摩擦系数得到改善;另一方面,高的H/E值有利于减缓摩擦接触面的塑性变形,降低材料局部变形能量耗散引起的黏着作用,提高其减摩抗磨损特性。