压力烧结法强化氧化铈装饰的石墨烯纳米片的铝合金基体复合材料

日期： 2021-12-01

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来源：AZO NANO

在最近发表在《应用科学》杂志上的一项研究中，一个研究小组用稀土氧化物CeO2颗粒装饰石墨烯纳米片（GNPs），研究GNPs对GNPs/Al复合材料强化能力的装饰效果。研究发现，用CeO2-GNPs加固的复合材料的机械性能比用相同质量的原始GNPs加固的复合材料要好。

什么是石墨烯纳米颗粒？

石墨烯纳米片，或称GNPs，是可以替代碳纤维、碳纳米管、纳米粘土或其他物质的微小石墨烯堆积物。当以2-5wt%的浓度应用于塑料或树脂时，它们可以使塑料或树脂具有导电或导热性，并减少对气体的渗透性。

GNPs具有出色的拉伸性、强度和刚度，以及理想的功能特性，如高导热性和导电性。它们也很轻，易于处理。由于具有独特的二维结构，GNPs具有更大的比表面积，这使它们在承重加固应用中表现得更加有效。由于这个原因，GNPs被认为是复合材料中的一种有效的增强剂。

过去的工业应用和局限性

在过去，GNPs已经被用于结构和功能复合材料的研究中，作为一种重要的纳米级新加固材料。它们也被广泛地用作金属基体复合材料开发中的有效增强材料。以前，通过用GNPs增强铝基复合材料，复合材料的抗拉强度、屈服强度和微硬度都得到了明显的改善。

尽管在纳米碳增强铝基材料领域取得了进展，但制造石墨烯增强的金属基复合材料仍然是一个重大困难。这是因为石墨烯片之间的力往往会导致它们积聚，从而削弱了基体，导致复合材料在任何承重应用中都会变形。

研究人员做了什么？

在这项研究中，研究人员利用表面改性技术与热压烧结相结合来解决之前提到的问题。2024铝基合金中补充了天然石墨烯纳米片和涂有CeO2稀土氧化物颗粒的石墨烯纳米片。

进行了比较试验以确定稀土氧化物装饰的GNPs对基体的机械性能和微观结构的影响。第一步，用酒精加热法将GNPs装饰上稀土氧化物CeO2颗粒。然后，采用热压烧结工艺，用新制备的CeO2-GNP颗粒加固铝复合材料。

此外，对CeO2@GNPs/2024铝复合材料的硬度和拉伸强度进行了检验。样品进行了维氏硬度测试，加载力为0.3公斤，压力保持15秒。拉伸测试时，拉伸速率被设定为0.5毫米/分钟。为了尽量减少错误，每种硬度模式都需要进行10次压痕检查测试。

发现了什么？

醇类加热法被有效地用于制备涂有CeO2颗粒的GNPs。稀土氧化物CeO2和GNPs牢固地结合在一起，即使在使用压力烧结技术制造复合材料后，这种结合仍然保持。

装饰程序增加了GNPs在基体中的分散性。由于GNPs和基体之间的润湿性提高，它促进了GNPs和合金的结合，从而减少了加工过程中的结构缺陷。

基体中的GNPs的边界线在其长度上没有任何可见的孔隙或缺陷，如裂缝。这意味着GNP和Al基体之间存在着良好的界面，这对改善复合材料的机械性能是有利的。

在相同的制备环境下制造的复合材料中加入CeO2-GNPs，显示出比天然GNPs更大的晶粒细化效果。用稀土氧化物CeO2装饰的GNPs增强的Al-复合材料的屈服强度和拉伸强度比用天然GNPs增强的Al-复合材料高21.1%和24.7%。

用稀土氧化物CeO2颗粒装饰GNPs的意义

这项研究提出了一种改善纳米粒子增强铝复合材料机械性能的新方法。研究结果表明，由于稀土氧化物CeO2颗粒的装饰作用，基体和GNPs的组合得到了优化。当铝基体中的界面结合和颗粒分布得到改善时，GNPs在一系列强化效果中发挥了更有效的作用，从而使复合材料的机械性能得到了很大的改善。

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