【研究进展】Carbon：从分散到网络—石墨烯增强钛基复合材料中增强体的分布

研究背景

为了提高复合材料的综合性能以适应极端工况，钛基复合材料(TMCs)得到了开发。石墨烯及其衍生物由于具有超高强度(极限强度约130 GPa)、低密度、超常模量(约1 TPa)和大比面积(约2 630 m²/g)，被认为是金属基复合材料(MMCs)中最具吸引力的增强材料。

分散在TMCs中的石墨烯纳米片(GNPs)可以细化基体晶粒，同时保持魏氏显微组织，有效地阻碍位错运动，从而提高复合材料的力学性能。但随着GNPs的增加，位错的严重积累和过度产生的TiC往往导致TMCs的延展性恶化。

以网络化分布为代表的钛基体近年来成为研究热点。现有的研究已经就石墨烯及其衍生物在TMCs上的强化达成了共识。然而，关于石墨烯对TMC延展性的影响，目前研究研究结果相互矛盾，因此阐明其延展性行为差异迫在眉睫。

研究思路

为了探索增强材料从分散向网络化转变所引起的微观结构演变以及延展性行为，基于核壳粉末制备了不同GNPs含量的GNP/Ti64。阐明了设计补强分布和调整基体微观结构对GNP/Ti64复合材料力学性能、微观结构形态和断裂特性的协同作用，并系统地研究了其强化增韧机制。该研究通过调节配筋分布和调整基体微观结构，为研究强延性匹配良好的GNPs增强TMC的多尺度微观结构演变提供了进一步的见解。

主要结论

• 利用机械剥离原位合成核壳结构粉末，然后进行火花等离子烧结，成功制备出延展性可控的石墨烯纳米片(GNPs)增强Ti6Al4V复合材料(GNPs/Ti64)。
• 随着GNP的增加，钢筋分布逐渐从分散向网络化转变。同时，微观结构从Widmanst¨atten演变为等轴组织，其中等轴α晶粒的比例稳步上升，从而导致强度单调增加和延展性双峰分布。
• GNP/Ti64复合材料强度的显著提高表现为晶粒细化、固溶、有效载荷传递和位错强化，其中载荷传递和晶粒细化占主导地位。
• GNP/Ti64复合材料的延展性随着GNP的增加呈双峰分布，晶粒细化是第一个峰值的主要原因，而第二个峰值主要由网状增强体的协调变形能力和微观结构的等轴化驱动。
• 0.70wt%的GNP/Ti64复合材料表现出优异的韧性，这主要归因于相对较高的应变硬化能力、GNP的桥接和载荷传递，以及等轴微观结构。这些因素主要归因于具有网络化分布的TiC GNP TiC增强。

文章信息

Qihang Zhou, Mabao Liu, Wei Zhang, Zheng Zhang, Yang Sun, Weijia Ren, Jiarui Wei, Pengfei Wu, Shuan Ma. The distribution of reinforcements in titanium matrix composites enhanced with graphene: From dispersed to networked[J].Carbon,Volume 226,2024,119204,ISSN 0008-6223.

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119204.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622324004238)

作者团队来自西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室、教育部多功能材料与结构重点实验室、西安工业大学工程力学系、中国电子科技大学分析测试中心和清华大学新型陶瓷与精细加工国家重点实验室。