石墨烯增強鋁基複合材料的仿生製備與界面行為研究

《石墨烯增強鋁基複合材料的仿生製備與界面行為研究》是依託上海交通大學，由蘇益士擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯增強鋁基複合材料的仿生製備與界面行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蘇益士
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

採用仿生構型設計與界面行為調控，引入高性能增強相以使傳統金屬實現“輕質、高強韌、高模量”是發展新型結構材料的有效手段，也成為金屬基複合材料研究領域的前沿與熱點。本項目擬將超高力學性能石墨烯與典型輕質金屬Al片通過仿生複合化，重點解決石墨烯與金屬Al片的表面相容與均勻分散問題，實現含量可控、界面調控及強韌匹配的構型設計，製備具有三維納米“磚砌”結構石墨烯/Al複合材料。依據所製備石墨烯/Al複合材料的顯微組織特徵，採用聚焦離子束（FIB）微加工石墨烯/Al界面的Micropillars，結合納米壓縮試驗與晶體塑性模擬研究石墨烯/Al界面在不同時效狀態、界面形貌及複合尺度下的變形、滑移及強韌機制。通過引入界面性能的石墨烯/Al複合材料多尺度建模與性能擬實，結合複合材料的巨觀拉伸、彎曲及SEM、TEM原位拉伸試驗，研究石墨烯/Al複合材料的仿生構型、界面行為與構-效關係間耦合強韌化機理。

結題摘要

複合化是金屬材料實現高性能化的有效途徑之一，傳統的金屬基複合材料多以增強相與結構的空間均勻分布為特徵，未過多地考慮複合構型效應，難以極大發揮組分間的協同、耦合和交叉回響。目前，新型納米材料、仿生構型設計與複合界面調控是金屬基複合材料創新發展的典型要素，通過三者有機結合與協同是研發新型金屬基複合材料的重要手段與研究熱點。通過將高性能石墨烯與輕質金屬Al片通過疊片冶金相複合，本項目研究了仿生製備、界面行為與構效關係三方面難題，完成了申請計畫的研究內容。通過球磨工藝調控與材料表面改性，解決了石墨烯與金屬Al片的均勻分散難題；通過熱壓燒結與軋制結合，製備出了仿生構型石墨烯/Al複合材料；針對不同含量石墨烯/Al複合材料，開展了單軸拉伸、三點彎曲及原位拉伸等材料試驗測試。採用聚焦離子束（FIB）加工出多種包含石墨烯/Al界面的複合微柱，揭示了石墨烯含量與取向、複合微柱尺寸效應、微柱壓縮應變率等對微柱壓縮性能的影響規律；通過有限元模擬並結合實驗驗證，揭示了石墨烯/Al界面在不同界面狀態及複合尺度下的界面強度與強韌機制。基於統計分析與幾何建模，建立了可有效重構石墨烯種類、尺寸、含量、形貌及取向等可控分布的結構模型；引入了彈塑性、損傷及斷裂等力學行為，開展了石墨烯/Al複合材料的多種力學變形模擬，揭示了體積含量、界面強度及複合構型等對石墨烯/鋁複合材料的巨觀回響。當前結合材料基因工程與數據挖掘技術，本項目系統構築了一個從材料製備、到組織表征、到界面調控、再到構效關係的石墨烯/Al複合材料基礎研究平台，揭示了仿生構型、界面行為與構效關係間的耦合回響規律，為金屬材料的仿生設計與複合製備提供了理論依據。今後將以單向石墨烯/Al複合材料為複合基元，逐步向如梯度、交錯等構築複合材料發展，拓寬材料、力學與計算等多學科交叉的金屬基複合材料研製新方法。