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中国率先研制出“烯合金” ,将带来革命性变革.  

2014-05-31 18:23:56|  分类: 科技前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国率先研制出“烯合金” ,将带来革命性变革. - 新文明之光 - 新文明之光

 
    石墨烯或许将对未来航空航天器带来革命性变革

 

   中航工业航材院人士透露,他们成功利用石墨烯与铝合金在全球率先研制出“烯合金”,宣布新一代具备特殊性能的系列材料问世,或许将对未来航空航天器带来革命性变革。这是有史以来最结实的材料,其强度是钢的100多倍。


    石墨烯,这个让大部分公众感到陌生的名字,却是全球多国科学家都在竞相研究的课题。这种在2004年才正式被发现的新材料,不仅让两名英国发现者获得2010年诺贝尔物理学奖,更有望让“薄得像纸一样的透明手机”、“一分钟充完电的电池”、“像衬衣一样的防弹衣”等“科幻产品”变成现实。中航工业航材院(以下简称航材院)相关人士27日向《环球时报》透露,他们成功利用石墨烯与铝合金在全球率先研制出“烯合金”,宣布新一代具备特殊性能的系列材料问世,或许将对未来航空航天器带来革命性变革。

 

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    石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,它只有一个碳原子那么厚,是已知、能看得见的最薄纳米级材料。这种特殊结构让它从被发现之初,就获得多个世界之最:有史以来最结实的材料,其强度是钢的100多倍;电子传导率最快的材料,比硅材料快140倍;它还是最轻的固体物质、室温下导电性能最好的材料、具有97.7%的透光率……各国科学家竞相投入对这种新材料的研发中,认为它将“颠覆世界电子行业的未来”。仅今年5月,就有新加坡南洋理工大学宣布研制出光感提高1000倍的石墨烯图像传感器;英国利物浦大学研制的石墨烯新材料有望取代由硅制成的晶体管……苹果、三星等公司正试图利用石墨烯材料的导电和透明特性,制造像一张纸那么薄的透明手机,而且还不怕弯曲。利用它能制造出大容量电池,一次充电足以让汽车行驶数百上千公里。


    航材院研究人员告诉《环球时报》记者,尽管当前石墨烯的研究成果很多,但目前主要还停留在实验室阶段,距离工业化生产仍有相当距离。造成这种局面的很大原因是石墨烯的价格太贵,是等重黄金的15倍,因此又被称为“黑黄金”。航材院如今已经掌握了批量生产大尺寸、高质量石墨烯薄膜和高性能石墨烯粉末的技术,为石墨烯的大规模应用打下基础。

  

 
    除了制造电子设备外,石墨烯的高强度、高韧性也为材料学带来新变革,这对于“尽力减少每一克重量”的飞机制造业来说尤其重要。航材院利用铝合金粉和石墨烯粉以一定比例混合后制造出的“烯合金”,其屈服强度和抗拉强度分别提高58%和25%,在世界上首创利用石墨烯制造高端合金材料的新途径。据介绍,该研究团队下一步还将利用石墨烯提高钛合金等金属的性能,有望给飞机材料带来新的变革。

 

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铝合金具有低的密度、高的强度和良好的延展性,在航空、航天等领域得到广泛应用。作为结构材料,如何提高铝合金强度一直是其研究者的主攻方向。目前来看,利用改变合金熔炼方式、调控成分、调整热处理和变形工艺等方法在进一步提高铝合金性能难有突破,铝基复合材料应运而生。在铝合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳纳米管制备铝基复合材料来提高合金强度成为学者们研究方向。但增强效果不尽人意,且材料的塑性大幅降低[7-10]。石墨烯纳米片具有高的强度,大的比表面积和较好的延伸率,将其添加到铝合金中形成铝基复合材料,或许是解决提高铝合金强度难题的不错选择。

本工作采用球磨混粉、热等静压法(HIP)和热挤压的方法,制备铝基烯合金材料,对铝基烯合金其微观组织结构和力学性能进行表征并分析石墨烯纳米片的增强增韧机制。

1 实验材料及方法

1.1 铝合金粉末的制备

采用紧耦合气雾化的方式制备铝合金粉末(Al-Mg-Cu),镁和铜含量分别为1.5%和3.9%。雾化介质为氮气(99.99%),雾化室压力为800Pa,温度为800℃。

1.2 石墨烯纳米片制备

以纯度为99.9%的天然石墨为原材制备石墨烯纳米片,采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯纳米粉末,用水合肼在95℃下还原24h,获得几个原子层厚度的石墨烯纳米片,制备方法与文献[11]相同。

1.3铝合金和铝基烯合金的制备过程

(1)将3g 石墨烯纳米片分散到 3L无水乙醇中,超声振荡1h得到均匀黑色石墨烯溶液;(2)将1kg Al-Mg-Cu铝合金粉末分别加入到3L 石墨烯溶液(制备含0.3%石墨烯的铝基复合材料)和3L无水乙醇(制备对比铝合金)中,封装在球磨罐中球磨24h;(3)将球磨后的浆料倒入烧杯,移入80℃水浴锅中,在机械搅拌下进行干燥处理至浆料至半干状态后,转移到真空烘干箱中进行彻底干燥处理;(4)将干燥的上述粉末装入圆柱形铝包套中,并抽真空至真空压强为1×10-2Pa后,加热到300~400℃,保温2h,冷到室温后焊接封口;(5)将封好的铝包套进行480℃/150MPa/2h热等静压处理;(6)将热等静压后的试块在400~480℃进行热挤压,挤压比为10:1,挤压速率为3mm/s,挤压力为300kN;(7)对棒材进行495℃/30min固溶处理+96h自然时效。[ 转自*** http://***/ ]

1.4材料微观组织表征和力学性能测试

采用光学显微镜(Leica)、场发射扫描电子显微镜(FESEM, JEOL JSM-7001)和透射电子显微镜(TEM, FEI Tecnai G2 F20)观察材料的微观组织结构。利用X射线衍射仪(XRD)对材料的晶体结构进行了表征。在万能拉伸机上测试拉伸性能,测试温度为室温,加载方向与热挤压方向一致,拉伸试样工作区尺寸为φ5mm×2.5mm。

2 结果与讨论

2.1 微纳米粉末的组织结构

铝合金粉末为直径d<40μm的球形或椭球形颗粒。石墨烯纳米片呈羽毛状,半透明状说明厚度非常薄,径向尺寸在微米量级,且具有典型的皱褶结构特征。铝合金粉末为面心立方晶体结构,未见Al4N3或Al2O3等杂质相,说明雾化制粉过程中铝合金未与O、N元素发生反应。石墨烯纳米片XRD谱线26°附近有一个宽化的衍射峰,说明石墨烯纳米粉非常细小,这与文献[12]报道的高质量石墨烯纳米片结果相同。球磨处理后,铝合金颗粒由球形变为片状结构,片的直径最大不大于100μm,厚度为几个微米,石墨烯纳米片附着到铝合金颗粒表面,使得铝合金颗粒与石墨烯纳米片具有较大的结合界面,并且石墨烯纳米片的褶皱结构被很好地保存下来。

2.2铝基烯合金的显微组织

铝基烯合金热处理后其显微组织均匀细小,冶金质量良好,未见明显的冶金缺陷。铝合金具有片层状组织结构,片层的厚度大约为3~8微米,片层直径大约为20~40微米, HIP+热挤压工艺没有破坏铝合金粉末的片状结构。轴向显微组织保留着挤压变形特征,组织沿变形方向被拉长到100μm以上 ,厚度为几个微米,成板条状,组织均匀细小。作者首次在TEM下观察到石墨烯增强金属基纳米复合材料中的石墨烯纳米片的形态。石墨烯纳米片在铝合金基体上铺展性好,两者具有较大的结合界面,清楚地看到石墨烯纳米片的二维薄膜形态和褶皱结构特征,观察区域石墨烯纳米片的尺寸超过2μm,说明石墨烯纳米片没有在铝合金烯合金基体中碎裂。经球磨、热等静压、热挤压和固溶热处理等一系列工艺后,石墨烯纳米片保留着原始组织结构特性,可以推测其仍然保持着原有高的抗拉强度。

2.3铝合金和铝基烯合金力学性能

添加石墨烯纳米片提高了铝基烯合金的屈服强度和拉伸强度,且其伸长率也有所改善,这在第二相增强金属基复合材料的研究中是首次发现。石墨烯纳米片加入明显提高了合金的抗拉强度从364MPa提高到455MPa,增加了25%;同时合金的屈服强度也得到大幅提高,从204MPa提高到322MPa,提高幅度高达58%,其提高的幅度明显优于其他材料增强铝基复合材料的增强效果[13]。同时,可以看出填加石墨烯纳米片,并没有像SiC[7, 8]或碳纳米管 [10]增强铝基复合材料的塑性显著下降,铝基烯合金的延伸率不但没有下降,还略有升高,由对比合金的11.03%提高到11.80%。填加石墨烯纳米片对铝合金的弹性模量影响不大,对比本次实验数据已有颗粒或碳纤维增强的数据来看,石墨烯纳米片对金属基体的增强机理与普通碳纤维或颗粒有所不同。

2.4石墨烯纳米片的增强增韧机制分析

铝基烯合金棒材的拉伸断口的微观形貌为典型的韧窝断裂,韧窝和撕裂棱均匀而细小,撕裂棱的表面可以清晰观察到石墨烯纳米片。与其他增强材料相比,石墨烯纳米片对铝合金基体具有不同的增强增韧机制。首先,由TEM观察可知石墨烯纳米片与铝合金基体形成了良好的结合界面,并且石墨烯纳米片具有**的比表面积,这有效阻止了热处理过程中铝合金晶粒的长大,同时石墨烯纳米片/铝合金结合界面可以有效阻止材料变形过程中的位错移动和裂纹扩展。其次,石墨烯厚度只有几个纳米,铝合金晶粒之间的间距非常小的,这更有利于外力从铝合金基体转移到石墨烯纳米片,因此石墨烯纳米片的超高强度能被直接利用,从而实现材料的高强度。最后,由于石墨烯纳米片大的比表面积,易与铝合金基体形成大的结合性能优良的结合界面,及石墨烯纳米片特有的褶皱结构,使得铝基烯合金受力过程中,石墨烯纳米片存在一个褶皱展平再断裂的过程,加之石墨烯纳米片本身具有良好的塑性,因此材料的塑性非常好。这赋予了铝基烯合金材料更广阔的应用前景。而石墨烯皱褶结构决定了铝基烯合金具有良好塑性。虽然石墨烯纳米片增强铝合金纳米复合材料的力学性能提高显著,但是还有很多的未知需要进一步探索,随后我们会进一步展开石墨烯纳米片的增强增韧机制的深入研究。

3 结论

(1)采用球磨制粉+热等静压+挤压的方法成功制备了新型铝基烯合金材料。石墨烯纳米片的引入没有影响铝合金的冶金成型。

(2)石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中,并与铝合金基体形成了良好的结合界面。在铝基烯合金材料中石墨烯纳米片保留了良好的原始结构。

(3)添加0.3%的石墨烯纳米片,明显提高了铝合金的强度。屈服强度从204 MPa 提高到322 MPa,提高幅度高达58%;抗拉强度从364 MPa提高到455 MPa,增加了25%,同时塑形未见降低。

(4)基于石墨烯纳米片的二维、皱褶结构及与铝合金基体的良好结合界面特性,提出了细晶强化,**界面强化和剪切应力转移强化方式。

(5)这些研究结果说明石墨烯纳米片是理想的金属基复合材料的纳米填料。

我国成为石墨烯基础研究领域领跑者

国际石墨烯研究徘徊经年的沉闷局面终于被打破了。中航工业航材院的一组年轻科研人员在国际石墨烯研究领域首创“烯合金”材料,这一具有里程碑意义的重大自主创新,不但发明了一类具有优异性能的新型高端合金材料,也使我国成为石墨烯这一材料科学前沿基础和应用研究的领跑者。“烯合金”这一合金材料崭新名词从此载入世界材料科技发展的史册。5月上旬,记者在航材院见证了烯合金的诞生。

石墨烯纳米片是由sp2杂化碳原子组成的单原子层厚度的二维材料,其展现出一系列不同寻常的物理性能。2004年Novoselov等利用胶带剥离法制备出石墨烯纳米片样品,并对其微观组织结构和物理学性能进行了表征。石墨烯是迄今为止实验发现的最坚韧,导电和导热最好的材料。石墨烯纳米片因其特殊的二维结构,引起了物理、化学和材料学界研究者的极大兴趣。为尽快使石墨烯达到工程应用状态,欧盟在2012年启动石墨烯旗舰技术项目,美国也大力投入,并且在石墨烯作为超强电容器等应用研究领域已取得了某些突破性进展。石墨烯是理想的复合材料纳米填料。由于石墨烯具有高强度,如何利用其来提高复合材料的强度成为研究热点。目前已有关于石墨烯纳米片增强高分子聚合物和陶瓷材料的报道。航材院的年轻科研人员勇于标新立异,他们采用球磨和粉末冶金方法成功制备出石墨烯增强铝基纳米复合材料(命名为“铝基烯合金”),在世界上首次发现石墨烯纳米片在保持材料良好塑性的同时,显著提高了其强度。他们利用OM,SEM和TEM对铝基烯合金微观组织结构进行表征,并测试其拉伸性能。结果表明:石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中,与基体形成良好的结合界面,且石墨烯纳米片与铝合金基体未发生化学反应,并保留了原始的纳米片结构;铝基烯合金中石墨烯纳米片含量为0.3%(质量分数,下同)时,铝基烯合金的屈服强度和抗拉强度分别达到322MPa和455MPa,较未添加石墨烯纳米片的合金分别提高58%和25%,且合金的伸长率没有降低。

烯合金的研制成功,宣告一代新型具有特殊优异性能的系列材料横空出世,填补了世界材料科学领域的空白,进而将这门学科推向全新的领域。目前,航材院的年轻科研人员正对石墨烯研究的更多未知领域进行进一步探索,对石墨烯纳米片增强增韧行为的深入研究正在后继工作中展开。


 

 

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