石墨烯鎂基復(fù)合材料的制備工藝研究

陳瑞強(qiáng)，杜曉明，劉風(fēng)國

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

石墨烯鎂基復(fù)合材料的制備工藝研究

陳瑞強(qiáng)，杜曉明，劉風(fēng)國

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

采用真空熱壓燒結(jié)法制備石墨烯/鎂復(fù)合材料，研究石墨烯含量、混料時間及熱軋后時效處理對石墨烯/鎂復(fù)合材料顯微組織的影響。結(jié)果表明：石墨烯含量為1.5%時，鎂基復(fù)合材料的組織更加均勻，無明顯的石墨烯團(tuán)聚；隨著混料時間的延長，石墨烯在鎂基體中的分散均勻性得到提高；熱變形能夠細(xì)化石墨烯/鎂復(fù)合材料的顯微組織，350℃下熱處理3h有利于組織均勻性的改善。

石墨烯；鎂基復(fù)合材料；熱處理；組織均勻性

鎂合金因其低密度、高比強(qiáng)度、良好的電磁屏蔽性以及優(yōu)異的切削加工性能等優(yōu)點，使其成為最有發(fā)展前景的輕合金材料之一，在電子、汽車、軍事及航空航天等領(lǐng)域具有獨(dú)特應(yīng)用優(yōu)勢[1-2]。而相較于傳統(tǒng)鎂合金，鎂基復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度、比剛度，同時具有較好的耐磨性，耐高溫性能，有望突破自身強(qiáng)度較低、高溫性能較差的限制，實現(xiàn)潛在的巨大應(yīng)用前景[3-5]。

近年來，由于新的增強(qiáng)體的出現(xiàn)以及制備工藝的不斷改進(jìn)，鎂基復(fù)合材料的各方面性能進(jìn)一步得到了提高和改善。嚴(yán)峰等[6]研究了通過擠壓鑄造法制備的19.7% SiCW/MBl5(體積分?jǐn)?shù))復(fù)合材料的超塑性變形，在溫度613K、初始應(yīng)變速率1.67×10-2s-1的條件下，獲得了200%的延伸率。Shimizu等[7]通過球磨后真空熱壓燒結(jié)與熱擠壓成型法制備了CNTs/AZ91D復(fù)合材料，其彈性模量最大為55GPa，比基體提高了37.5%。Lianyi Chen等[8]通過液態(tài)超聲結(jié)合固態(tài)攪拌法制備了塊體石墨烯顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)石墨烯在基體內(nèi)部分布均勻，其顯微硬度為66kg/mm2，比純鎂提高了78%。然而，目前國際上關(guān)于石墨烯/鎂基復(fù)合材料的報道極少，因而有必要開展以石墨烯為增強(qiáng)體的鎂基復(fù)合材料制備工藝的研究。

本文從制備工藝角度出發(fā)，探究石墨烯結(jié)構(gòu)及含量、混料時間及熱軋后熱處理對復(fù)合材料組織的影響，以期在此實驗基礎(chǔ)上對石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料進(jìn)行性能研究。

1 實驗材料與方法

1.1 石墨烯的制備

利用水熱法，在98℃下加入蒸餾水和N2H4·H2O(≥80%)還原劑，還原為石墨烯，將過濾產(chǎn)物烘干，獲得石墨烯。

采用多晶X射線衍射儀(日本理學(xué)公司，Ultima IV型)對其衍射峰進(jìn)行分析，并采用掃描電子顯微鏡(日本日立公司，S-3400N型)觀察石墨烯樣品的表面形貌。

1.2 石墨烯鎂基復(fù)合材料的制備

實驗采取干混方式，根據(jù)石墨烯含量的不同，將鎂粉(純度為99.5%，粒度為200～300目)和石墨烯按不同比例放入罐中，加入球料比為2∶1的氧化鋯陶瓷磨球，在T2F型混料機(jī)上分別混制2h、4h和6h?；炝限D(zhuǎn)數(shù)為40rpm，石墨烯加入量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))分別為0.5%、1.5%和2.5%。

將石墨烯-Mg混合粉在ZR-6-8Y型真空鉬絲熱壓燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行熱壓燒結(jié)。燒結(jié)溫度為595℃，保溫時間為1h，隨爐冷卻。將制得的復(fù)合材料坯件在400℃下進(jìn)行熱軋，軋輪滾速為20rpm，軋件變形量為10%。熱軋完成后立刻在350℃下進(jìn)行熱處理1h、2h和3h。采用200TAM型倒置金相顯微鏡觀察復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)

圖1為石墨烯的SEM照片，由圖1a可觀察到石墨烯片交叉團(tuán)聚在一起，形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，大小比較均勻，尺寸在200μm左右。由圖1b可看到石墨烯形貌基本呈現(xiàn)層片狀結(jié)構(gòu)。圖2為石墨烯的XRD圖譜。圖2中2θ=26.7°處衍射峰為石墨特征峰(002)，并且出現(xiàn)了嚴(yán)重的寬化。表明石墨烯片非常細(xì)小，這與文獻(xiàn)[10]報道的高質(zhì)量石墨烯納米片結(jié)果相同。

2.2 石墨烯鎂基復(fù)合材料的組織

圖3為2h混料時間下不同石墨烯含量復(fù)合材料的光學(xué)顯微組織圖。從圖3中可以看到，石墨烯含量在0.5%和2.5%時，組織中都出現(xiàn)了比較明顯且較大尺寸的石墨烯團(tuán)聚。而石墨烯含量為1.5%時，復(fù)合材料組織中石墨烯分布較為均勻。

在低石墨烯含量(0.5%)下出現(xiàn)的團(tuán)聚可能是由于較少的石墨烯與鎂粉不夠充分接觸，在球磨混料過程中，石墨烯和鎂粉形成剛體運(yùn)動，石墨烯得不到分離和減薄，致使石墨烯團(tuán)聚于基體的某一位置。石墨烯含量在1.5%以上時，由于石墨烯的片狀形態(tài)表面能較大，隨著石墨烯含量的增加，石墨烯在混料過程中彼此接觸的幾率也同時增大，有限的混料時長和強(qiáng)度不能使其散開，從而出現(xiàn)了明顯且大片的團(tuán)聚。

圖1 石墨烯的SEM圖

圖2 石墨烯的XRD圖

圖4為石墨烯含量1.5%時不同混料時間下復(fù)合材料光學(xué)顯微組織圖。在圖4中沒有發(fā)現(xiàn)較大尺寸的石墨烯團(tuán)聚，僅存在個別小團(tuán)聚。隨著混料時間由2h(圖3b)增加到6h，基體中的石墨烯形態(tài)趨于平展，這有利于復(fù)合材料的性能提高，并減少由于石墨烯團(tuán)聚而在基體中形成微小裂紋和孔洞的不良影響。

為改善復(fù)合材料致密性，細(xì)化基體晶粒，穩(wěn)定組織和進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，需對初步制得的鎂基復(fù)合材料進(jìn)行熱處理和熱變形，以降低或消除材料中存在的氣孔等缺陷[11]。熱軋在400℃條件下進(jìn)行，軋輪滾速為20rpm，軋件變形量為10%。熱軋完成后立刻在350℃下進(jìn)行熱處理。圖5為石墨烯含量為1.5%時熱軋后不同熱處理時間下復(fù)合材料的光學(xué)顯微組織圖。從圖5中可以看到，熱軋制后的復(fù)合材料晶粒沿軋制方向被明顯拉長，在350℃熱處理溫度下，組織出現(xiàn)了回復(fù)再結(jié)晶；隨著保溫時間的延長，復(fù)合材料的組織更加趨于均勻，熱處理3h對組織均勻性的改善更加明顯。

圖3 混料時間為2h時不同石墨烯含量復(fù)合材料坯件的光學(xué)顯微組織圖

圖4 石墨烯含量為1.5%時不同混料時間下復(fù)合材料的光學(xué)顯微組織圖

圖5 石墨烯含量為1.5%時不同熱處理時間下復(fù)合材料的光學(xué)顯微組織圖

3 結(jié)論

在燒結(jié)溫度595℃、保溫時間1h，隨爐冷卻條件下，石墨烯含量為1.5%vol時，復(fù)合材料組織中的石墨烯分布較為均勻，無明顯及大尺寸的石墨烯團(tuán)聚，而且隨著混料時間的逐步延長，石墨烯在鎂基體中的分散均勻性得到提高。

在熱軋溫度400℃、軋輪滾速20rpm、軋件變形量10%、熱處理溫度350℃條件下，石墨烯/鎂復(fù)合材料的組織得到細(xì)化，而且隨著熱處理時間延長至3h，復(fù)合材料的組織均勻性得到改善。

[1]何廣進(jìn),李文珍.納米顆粒分布對鎂基復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報,2013,30(2):105-110.

[2]張效寧,王華,胡建杭,等.金屬基復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].云南冶金,2006,35(5):53-58.

[3]張修慶,滕新營,王浩偉.鎂基復(fù)合材料的制備工藝[J].熱加工工藝,2004(3):58-61.

[4]郗雨林,張文興,柴東瑯.粉末冶金法制備MB15鎂基復(fù)合材料組織及性能的研究[J].2002(1):51-53.

[5]沈金龍,李四年,余天慶,等.粉末冶金法制備鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能和增強(qiáng)機(jī)理研究[J].鑄造技術(shù),2005,26(4):309-312.

[6]嚴(yán)峰,徐洲,趙敏,等.SiC晶須在鎂基復(fù)合材料超塑性變形中的織構(gòu)[J].稀有金屬材料與工程,2006,35(1):25-28.

[7]SHIMIZU Y,MIKI S,SOGA T,et al.Multi-walled carbon nanotube-reinforced magnesium alloy composites[J].Scripta Materialia,2008,58(4):267-270.

[8]Chen L Y,Konishi H,Fehrenbacher A,et al.Novel nanoprocessing route for bulk graphene nanoplatelets reinforced metal matrix nanocomposites[J].Scripta Materialla,2012,67(1):29-32.

[9]Hummers W S,Offeman R.Preparation of graphitic oxide[J].Journal of the American Chemical Society,1958,80(6):1339.

[10]QIAN Y Q,VU A,SYMRL W,et al.Facile preparation and electrochemical properties of V2O5-graphene composite films as free-standing cathodes for rechargeable lithium batteries[J].Journal of the Electrochemical Society,2012,159(8):A1135-A1140.

[11]李結(jié)木,鄧?yán)だ?熱處理對顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料組織與性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報,2012,33(9):29-32.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Study on Preparation Process of Graphene Reinforced Magnesium Matrix Composite

CHEN Ruiqiang,DU Xiaoming,LIU Fengguo

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

By vacuum hot pressing sintering,graphene reinforced magnesium matrix composite was prepared.The influences on the microstructure of graphene reinforced magnesium matrix composite from content of graphene,mixing time and aging treatment after hot rolling were researched.The results show that the microstructure of 1.5% vol.graphene reinforced magnesium matrix composite is more uniform without obvious and large-sized graphene reunite;with the extension of mixing time,the dispersion uniformity of graphene in magnesium matrix is improved;the microstructure of graphene reinforced magnesium matrix composite could be detailed by hot rolling and refined at 350℃ for 3h. Key words： graphene;magnesium matrix composite;heat treatment;microstructure uniformity

2016-06-30

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(201602642)；沈陽理工大學(xué)重點實驗室開放基金

陳瑞強(qiáng)(1991—)，男，碩士研究生；通訊作者：杜曉明(1976—)，男，副教授，博士，研究方向：金屬基復(fù)合材料制備及性能研究。

1003-1251(2017)03-0001-04

TG146

A