石墨烯/Al复合材料力学性能及模拟研究

【摘要】：本文以石墨烯/Al复合材料为对象,采用实验制备与有限元模拟相结合的方法研究了石墨烯、孔隙等因素对复合材料力学性能的影响规律。在实验方面,采用乙醇溶液分散和球磨两步法制备了石墨烯/Al复合粉体,并通过粉末冶金方法制备了0.5vol%、1vol%和2vol%的石墨烯/Al复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、电子万能实验机和显微维氏硬度计等手段,分析了复合粉体混合前后形貌,研究了石墨烯添加量对复合材料微观结构和宏观力学性能的影响。在有限元模拟方面,探索了石墨烯体积分数、尺寸、分布形态及形貌等因素对石墨烯/Al复合材料力学行为的影响,并模拟了孔隙度、孔隙孔径及孔隙形状等因素对复合材料力学行为的影响,开展了模拟预测与实验结果相关分析。实验研究表明,采用两步法制备,石墨烯团聚现象消失,石墨烯和Al粉混合均匀,制备的石墨烯/Al复合材料致密,孔隙度较小,石墨烯呈片状分布在Al基体,部分石墨烯嵌入孔洞,复合材料只有轻微氧化,无Al2O3和Al4C3脆性相生成,复合材料具有韧性断裂特征。力学性能研究表明,石墨烯体积分数对复合材料力学性能有重要影响。随着石墨烯体积分数的增加,复合材料的抗拉强度、抗压强度和显微硬度都增大。石墨烯体积分数从0.5%增加至2%,复合材料的抗拉强度从139MPa增加至215MPa,抗压强度从297.35MPa增加至647.34MPa,显微硬度从72HV增加至85.62HV,但当石墨烯体积分数为1%时,复合材料不仅具有较高的拉伸强度,还具有好的塑性,综合力学性能较好。在有限元分析方面,建立了两颗粒单胞数值模型,对拉伸条件下的不同复合材料应力场、应变场进行了有限元模拟。模拟结果表明,沿着拉伸方向的应力,增强体远高于基体。增强体顶端附近基体应力集中,应变较大,并沿拉伸方向成45°方向扩展,增强体两侧基体应力较小,应变较小。增强体体积分数、尺寸、分布形态和形状对石墨烯/Al复合材料力学行为有影响。增强体中的应力随着体积分数的增大而略有升高,基体中的应力逐渐减小。增强体尺寸对位错强化有重要影响,但对载荷传递强化影响不大。当增强体相对夹角?=30°时,复合材料界面脱离和基体开裂的危险性相比其他分布形态较小。增强体形状为方形时,基体中的应力相对较大,棱角处有较大塑性变形,复合材料整体力学性能较差。孔隙的存在影响复合材料基体中应力的分布,沿着拉伸方向,孔隙上下端附近基体应力较小,而孔隙两侧出现较大的应力,是潜在的裂纹源。孔隙度、孔径和孔隙形状等因素对复合材料的应力应变分布有影响。孔隙度越高,孔隙聚集倾向越大,材料失效危险性增高。随着孔隙孔径的增大,基体中应力分布愈加不均匀,且孔隙周围基体大应变区域也增大。含圆形孔隙的复合材料相比其它不规则形状的孔隙具有更高的强度,其失效方式可能是孔隙开裂,而含其它形状孔隙的复合材料的失效方式更倾向于界面脱离。复合材料应力应变曲线的模拟值与实验值较好的相符,但有限元模拟值比实验值大。
【关键词】：石墨烯 孔隙 粉末冶金 有限元模拟 石墨烯/Al复合材料 两步法 力学性能
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB333