【摘 要】
：
铝合金具有低成本、低密度、高比强度和优异导电性能等特点,在航空航天、交通运输和电网建设等领域有重要应用。随着城市化推进,电网容量与用电需求的矛盾日益突出,对铝合金导线的强度、导电率和耐热性提出了更高的要求,单纯依靠合金化无法解决强度-导电率和耐热性-导电率的倒置关系。石墨烯具有高强度、高熔点、良好导电导热等优异性能,通过材料复合的途径,有望突破合金化技术的瓶颈,获得高强高导耐热石墨烯增强铝基复合材
论文部分内容阅读
铝合金具有低成本、低密度、高比强度和优异导电性能等特点,在航空航天、交通运输和电网建设等领域有重要应用。随着城市化推进,电网容量与用电需求的矛盾日益突出,对铝合金导线的强度、导电率和耐热性提出了更高的要求,单纯依靠合金化无法解决强度-导电率和耐热性-导电率的倒置关系。石墨烯具有高强度、高熔点、良好导电导热等优异性能,通过材料复合的途径,有望突破合金化技术的瓶颈,获得高强高导耐热石墨烯增强铝基复合材料。石墨烯/铝界面决定了力从铝基体向石墨烯的传递和电子的传送,对复合材料的宏观力学与导电性能起决定性作用。本研究从石墨烯/铝界面特性研究入手,基于第一性原理计算开展了表面和界面特性研究,为后续实验研究提供理论指导;应用粉末冶金和连铸连轧两种方法制备了石墨烯纳米片（GNPs）增强铝基复合材料,运用光学显微镜（OM）、拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射分析（EBSD）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等观察了复合材料微观组织演变,通过显微硬度测试、室温拉伸、高温拉伸和导电率测试等研究了GNPs/Al复合材料微观组织对性能的影响规律;应用热暴露实验研究了GNPs/Al复合材料的组织稳定性及耐热机理,得到如下结论:（1）石墨烯/铝界面的第一性原理计算结果表明,石墨烯（Gr）和Al之间存在着Al（211）//Gr（0001）的位向关系。构建了Gr（0001）与Al的（001）、（011）、（111）和（211）等低指数晶面组成的界面,发现Al（211）/Gr（0001）界面的结合能最高,界面能最低,Al（211）/Gr（0001）形成的界面最稳定。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）证实了Al（211）//Gr（0001）的界面排列方式,且界面夹角及界面处Al晶面间距的计算结果与HRTEM观察结果一致,进一步验证了计算结果。不同界面位向对石墨烯/铝界面结合具有显著影响,最优位向关系的揭示为获得高强度石墨烯/铝基复合材料奠定理论基础。（2）以石墨烯纳米片（GNPs）为增强相,采用球磨-放电等离子烧结（SPS）-热挤压和球磨-冷压-连铸连轧两种方法制备了GNPs/Al复合材料。经SPS后GNPs均匀分布在铝基体晶界,形成了5层结构的Al/Al2O3/GNPs/Al2O3/Al界面,挤压后连续氧化膜破裂,形成了7层结构的Al/Al2O3/GNPs/Al/GNPs/Al2O3/Al界面,并在界面附近观察到层错。挤压后的0.7wt%GNPs/Al复合材料的抗拉强度相较于纯铝提高了51.5%,GNPs的增强效率达到58;连铸连轧制备的0.2wt%GNPs/Al复合材料的抗拉强度相较于纯铝提高了36.8%,GNPs的增强效率达到167。强化机制分析表明,GNPs的载荷传递是复合材料的强度提升的主要来源。连铸连轧的GNPs/Al复合材料内,GNPs沿轧制方向呈连续纤维状分布,因而增强效率更高。粉末冶金制备的GNPs/Al复合材料导电率达到59.3%IACS,相对纯铝下降约1%IACS;连铸连轧制备的GNPs/Al复合材料的导电率达到61.8%IACS,相对于纯铝下降0.7%IACS。差分电荷密度分析表明GNPs与Al之间没有明显的电荷转移,两相之间为物理结合状态,在挤压或者轧制变形作用下,GNPs沿变形方向定向排列且GNPs与Al基体具有良好的界面匹配,界面散射引起的电阻增加很小,使得GNPs/Al复合材料具有良好的强度-导电率匹配。（3）采用热暴露实验和高温拉伸研究了GNPs/Al复合材料的耐热性,GNPs/Al界面热稳定性良好,界面附近的层错提高了铝基体的热稳定性,使得复合材料组织稳定性良好和高温强化效率提高。400℃热暴露时间增加至100 h,GNPs/Al复合材料的显微硬度与挤压态相比基本无变化,500℃热暴露100 h后显微硬度保持率仍稳定在89%。GNPs/Al复合材料在300℃高温拉伸强度为113 MPa,相比较同条件纯铝提高了126%。高温拉伸断口组织分析表明,GNPs/Al复合材料的Al/Al2O3/GNPs/Al2O3/Al界面在热暴露过程中保持结构稳定,确保了GNPs的载荷传递强化。第一性原理计算表明,在石墨烯/铝界面附近,铝的不稳定层错能γusf和本征层错能γsf分别为151.6 m J/mm~2和93.7m J/mm~2,相对于纯铝分别下降了25.3%和40.6%,通过层错形成减弱晶界迁移,从而提高了铝基体的热稳定性。
其他文献
智慧出行依赖于对实时路况等城市交通环境信息的准确及时获取与利用。随着通信技术的日趋成熟以及智能移动终端的爆炸式普及,车辆群智感知作为新兴的感知模式,利用车载智能终端从城市环境中感知获取信息,可以完成传统无线传感网络难以处理的复杂任务。车辆群智感知具备感知节点数量多、移动速度快、感知数据规模大和部署成本低等特点,被广泛应用于智慧出行系统的诸多应用之中。然而,当前车辆群智感知覆盖在时空上仍存在盖不全和
脉宽更窄、峰值功率更高的光脉冲一直是高精度测量、材料加工、信号处理等诸多应用的追求。锁模技术作为飞秒脉冲的主要产生手段,在过去几十年发展迅猛。依靠偏振控制和Kerr非线性的非线性偏振演化（Nonlinear polarization evolution,NPE）锁模因其结构简单、性能优越而成为实现锁模激光器的重要选择。通过精细的偏振调节,NPE锁模激光器可以产生各种脉冲状态。然而,NPE锁模激光器
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）作为一种全天时、全天候的主动传感器,在军事和民用领域都有着重要作用。由于通过SAR获取的图像中包含着丰富的信息,使得对SAR图像解译变得至关重要,其中,SAR图像目标识别是一个重要的研究方向,近年来得到越来越多研究者的关注。但目前依然面临着诸多挑战,如样本数据少、训练容易过拟合、相干斑噪声对识别结果的影响、如何提取SAR图像特
DNA纳米技术以DNA分子为基本组装材料,通过特异的碱基互补配对,可自组装形成多种多样的、具有可编程性的DNA纳米结构。利用DNA纳米结构的可寻址性及可编程性,可以在纳米尺度上实现分子和纳米材料基元（例如蛋白质、金纳米颗粒、碳纳米管等）的程序化可控组装,以获得特定的组装和功能。而动态DNA纳米技术可进一步实现对组装的分子和纳米材料的动态操纵和调控,在等离子传感器、纳米光子设备、催化、结构生物学等领
近年来,自由空间光通信（Free Space Optical,FSO）作为一种以光波为载体,在自由空间中传送信息的光无线通信技术受到国内外研究者的广泛关注。FSO具有低成本、高速率、高安全性等优势,在企业和校园内部互联、视频监控网络传输、灾后应急恢复通信、保密通信、光纤备份等应用场景具有竞争力。然而大气信道的湍流衰落效应会造成光信号在强度上产生快速起伏,形成的光闪烁效应会严重影响FSO通信性能。信
化石能源的不断消耗和温室气体的大量排放给能源和环境带来很大挑战。因此,开发可再生清洁能源替代化石能源迫在眉睫。太阳能是世界上最丰富的可再生清洁能源,而氢气是一种富有前景的能源载体,具有高的能量密度(120-142 MJkg-1),燃烧产生水,不会污染环境。光电化学（photoelectrochemical,PEC）分解水电池可以实现太阳能到氢能的转化,是替代化石能源的理想途径,成为未来解决能源问题
应变检测广泛应用于航空航天、石油化工、装备制造、轨道交通等现代工业、国防领域的结构安全和工况监控,对保障装备安全高效运行,预防和减少安全事故,保护人民生命财产安全具有重大意义。中国制造2025和工业4.0对大量的在线、原位、动态监测需求变得日益迫切,随着微机电、智能制造、物联网、大数据、人工智能等一系列新技术、新模式、新思想的出现以及传统装备制造业与信息产业的深度融合,对应变检测的需求范围和方式也
表皮生长因子受体2（Human epidermal growth factor receptor 2,HER2）在约20%～30%的乳腺癌患者HER2高表达,以及大约20%的胃食管连接部癌和胃癌中也存在HER2过表达,预后不良。尽管HER2靶向治疗取得了很大进展,但大量患者针对Trastuzumab（曲妥珠）单抗一线治疗因原发性或获得性耐药而最终治疗失败。解决耐药的基本策略是将Trastuzuma
胃癌是世界范围内癌症致死的第二大原因。当前胃癌的主要治疗手段是手术切除、放疗和化疗。由于各种疗法均有局限性,迫切需要开发更高效的胃癌治疗方法提高患者的生存率。近年来,纳米技术的发展对药物递送领域产生了深远的影响。自组装纳米结构一般具有合适的尺寸、高载药量和药物可逆性释放等特性,在药物递送和肿瘤治疗应用中具有重要价值。由于肿瘤部位血管的高渗漏性,纳米自组装体可以通过EPR效应延长药物的血液循环时间,
边缘智能（Edge Intelligence）是一种新兴技术框架。通过将移动边缘计算（Mobile Edge Computing,MEC）与人工智能深度融合,边缘智能实现了边缘网络的智能感知、智能计算与智能决策。学术界与工业界普遍认为,边缘智能是未来6G组网中的关键支撑技术,实现未来通信网络从“万物互联”演变为“万物智联”。与传统的移动边缘计算相比,边缘智能的模型训练与模型更新过程更复杂,传统的资