摘要
石墨烯纳米片（GNPs）具有超高的强度、良好的韧性以及优异的导电、导热性能，可以作为镁基复合材料的增强相以改善其综合性能。但目前，通过传统工艺制备的GNPs/Mg复合材料仍然存在GNPs在镁基体中分散不均匀、GNPs结构易损伤以及GNPs-Mg界面结合弱等问题，导致GNPs对镁基体的增强效果不佳，GNPs/Mg复合材料的物理和力学性能不理想。 从改善GNPs/Mg复合材料的物理和力学性能角度出发，本文采用原位反应工艺，在氩气气氛下以四氢呋喃为溶剂、萘为电子载体，通过Li还原无水MgCl2原位合成Mg包覆GNPs（GNPs@Mg）原位复合结构，研究了工艺参数对GNPs@Mg复合粉末合成效果的影响；通过粉末冶金工艺制备了GNPs@Mg块体复合材料，分析了GNPs含量对GNPs@Mg块体复合材料物理和力学性能的影响，探讨了GNPs@Mg复合材料的强化机理。 对采用原位反应工艺合成GNPs@Mg复合结构的可行性以及合成效果进行了研究，探讨了Mg2+浓度、合成温度、萘浓度、GNPs含量对GNPs@Mg复合粉末合成效果的影响，研究了GNPs@Mg复合粉末的形貌、结构以及形成机理。结果表明：Mg2+浓度0.4mol/L、合成温度25℃、萘浓度0.05mol/L、GNPs含量1.5wt.%条件下获得的GNPs@Mg原位复合结构中Mg包覆层对GNPs包覆效果较佳，Mg通过非均质形核的方式在GNPs的粗糙表面形核并长大，Mg纳米晶紧密堆垛在GNPs表面将其完全覆盖，实现了GNPs-Mg界面纳米尺度的紧密物理结合。 以GNPs@Mg原位复合粉末为原材料，通过冷压-烧结-热挤压的粉末冶金工艺制备了GNPs@Mg块体复合材料，研究了GNPs含量对GNPs@Mg块体复合材料物理和力学性能的影响，并对其微观组织结构和强化机理进行了分析。物理性能研究结果表明：GNPs@Mg块体复合材料的致密度高于通过外加法制备的GNPs/Mg块体复合材料；GNPs明显降低了镁基体的热膨胀系数。力学性能研究结果表明：GNPs含量为1.5wt.%时，复合材料的显微硬度、屈服强度、抗拉强度和延伸率较佳分别为HV72.8、173.1MPa、256.8MPa和7.1%，优于纯镁块体和GNPs/Mg块体复合材料。组织结构分析表明：GNPs的加入细化了镁基体晶粒尺寸；GNPs@Mg复合材料表现出以塑性断裂为主的混合断裂（脆性+塑性）特征；GNPs和镁基体通过显微机械咬合和纳米尺度接触形成了紧密的物理结合界面；GNPs通过细晶强化、载荷传递强化、热错配强化和Orowan机制强化的综合作用实现对GNPs@Mg复合材料的强化。
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