石墨烯-Al復(fù)合材料力學(xué)性能及模擬研究.pdf

1、本文以石墨烯/Al復(fù)合材料為對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)制備與有限元模擬相結(jié)合的方法研究了石墨烯、孔隙等因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)方面，采用乙醇溶液分散和球磨兩步法制備了石墨烯/Al復(fù)合粉體，并通過(guò)粉末冶金方法制備了0.5vol％、1vol%和2vol%的石墨烯/Al復(fù)合材料。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、光學(xué)顯微鏡（OM）、X射線衍射儀（XRD）、電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)和顯微維氏硬度計(jì)等手段，分析了復(fù)合粉體混合前后形貌，研究了石墨烯添加量對(duì)復(fù)

2、合材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能的影響。在有限元模擬方面，探索了石墨烯體積分?jǐn)?shù)、尺寸、分布形態(tài)及形貌等因素對(duì)石墨烯/Al復(fù)合材料力學(xué)行為的影響，并模擬了孔隙度、孔隙孔徑及孔隙形狀等因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)行為的影響，開(kāi)展了模擬預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)分析。
　　實(shí)驗(yàn)研究表明，采用兩步法制備，石墨烯團(tuán)聚現(xiàn)象消失，石墨烯和Al粉混合均勻，制備的石墨烯/Al復(fù)合材料致密，孔隙度較小，石墨烯呈片狀分布在Al基體，部分石墨烯嵌入孔洞，復(fù)合材料只有輕微氧化，

3、無(wú)Al2O3和Al4C3脆性相生成，復(fù)合材料具有韌性斷裂特征。力學(xué)性能研究表明，石墨烯體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能有重要影響。隨著石墨烯體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和顯微硬度都增大。石墨烯體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加至2%，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度從139MPa增加至215MPa，抗壓強(qiáng)度從297.35MPa增加至647.34MPa，顯微硬度從72HV增加至85.62HV，但當(dāng)石墨烯體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合材料不僅具有較高的拉伸強(qiáng)度，還

4、具有好的塑性，綜合力學(xué)性能較好。
　　在有限元分析方面，建立了兩顆粒單胞數(shù)值模型，對(duì)拉伸條件下的不同復(fù)合材料應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了有限元模擬。模擬結(jié)果表明，沿著拉伸方向的應(yīng)力,增強(qiáng)體遠(yuǎn)高于基體。增強(qiáng)體頂端附近基體應(yīng)力集中，應(yīng)變較大，并沿拉伸方向成45°方向擴(kuò)展，增強(qiáng)體兩側(cè)基體應(yīng)力較小，應(yīng)變較小。增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)、尺寸、分布形態(tài)和形狀對(duì)石墨烯/Al復(fù)合材料力學(xué)行為有影響。增強(qiáng)體中的應(yīng)力隨著體積分?jǐn)?shù)的增大而略有升高，基體中的應(yīng)力逐漸減小。

5、增強(qiáng)體尺寸對(duì)位錯(cuò)強(qiáng)化有重要影響，但對(duì)載荷傳遞強(qiáng)化影響不大。當(dāng)增強(qiáng)體相對(duì)夾角?=30°時(shí)，復(fù)合材料界面脫離和基體開(kāi)裂的危險(xiǎn)性相比其他分布形態(tài)較小。增強(qiáng)體形狀為方形時(shí)，基體中的應(yīng)力相對(duì)較大，棱角處有較大塑性變形，復(fù)合材料整體力學(xué)性能較差?？紫兜拇嬖谟绊憦?fù)合材料基體中應(yīng)力的分布，沿著拉伸方向，孔隙上下端附近基體應(yīng)力較小，而孔隙兩側(cè)出現(xiàn)較大的應(yīng)力，是潛在的裂紋源?？紫抖?、孔徑和孔隙形狀等因素對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變分布有影響?？紫抖仍礁?，孔隙聚集傾