铝基复合材料（AluminumMatrixComposites，AMCs）因其密度低、延展性高、耐蚀性强而被广泛应用于航空航天、电子和汽车工业等领域。但传统的AMCs因增强体的尺寸与性能的局限性，难以满足结构材料高强高韧的力学性能要求。与传统增强体相比，石墨烯具有独特的二维结构和超高的力学性能，被认为是金属基复合材料（MetalMatrixComposites，MMCs）的理想增强体。但由于Al基体与石墨烯之间的界面结合较弱，导致石墨烯在AMCs中难以发挥其优异特性。本论文通过制备新型石墨烯杂化增强体，对Al基体和石墨烯之间的界面结构进行设计与调控，以制备出具有优异综合力学性能的AMCs。 本论文从设计新型石墨烯/Al界面结构的角度出发，首先利用冻干技术结合原位合成法制备了金属纳米颗粒修饰的石墨烯杂化增强体，然后采用粉末冶金工艺，在AMCs中构建了不同的界面结构。系统研究了界面结构对复合材料强度、延伸率、应变硬化能力以及断裂方式的影响机制，为制备具有综合力学性能的AMCs提供理论依据与实现途径。 1）首先采用自组装NaCl颗粒为模板，以葡萄糖为碳源、选取硝酸镍为催化剂前驱体，利用高温煅烧法制备了石墨烯纳米片（Graphenenanosheets,GNS）负载镍纳米颗粒（Ninanoparticles,NiNPs）增强体（NiNPs@GNS）。基于铜催化石墨烯生长原理和对Al基体的强化效应，采用硝酸铜作为催化剂前驱体，进一步合成了GNS负载铜纳米颗粒（Cunanoparticles,CuNPs）增强体（CuNPs@GNS）；并在此基础上，在前驱体中添加了碳纳米管（Carbonnanotubes,CNTs），构筑了GNS同时负载CuNPs和CNTs的新型增强相（Cu@GNS-CNTs）。结果表明：由于NaCl模板的空间限域效应和金属盐的催化效应，使生成的NiNPs和CuNPs可以有效地催化碳源分解并促进其最终转化成为高质量的多层石墨烯。 2）以NiNPs@GNS作为增强体，在AMCs中构建了界面互锁结构，并阐明了其强韧化机理。利用间歇式球磨使增强体在基体中均匀分散，采用放电等离子烧结技术制备了块体复合材料。结果表明：通过原位合成过程中NaCl的限域效应和NiNPs对GNS生长过程中的催化作用，进而构建出具有特定取向关系的Ni-GNS共价结合界面，提高了增强体的稳定性；同时，通过扩散反应在Al-GNS界面处生成了Ni-Al3Ni杂化颗粒，表现为与Al基体形成共格界面且与GNS之间保持着共价结合。因此，形成的Al-Al3Ni-Ni-GNS界面互锁结构显著提高了界面稳定性和GNS的载荷传递效率，且抑制了裂纹的形核和扩展，使复合材料获得了优异的强化效率与延伸率。 3）选取CuNPs@GNS为增强体，通过界面调控实现了复合材料应变硬化能力的提升，揭示了界面结构对界面附近位错行为的作用机理。结合分段球磨与冷压-烧结-热挤压成型工艺制备了Al-CuNPs@GNS复合材料。结果表明：CuNPs@GNS均匀分散在复合材料的晶界处，且CuNPs依然负载在GNS表面，进而成型过程中在Al-GNS界面处原位生成Al2CuNPs，使Al-GNS的界面结合强度提高，复合材料的拉伸强度较纯Al提升约一倍；界面处的Al2CuNPs与Al基体形成的特殊取向关系和半共格界面，促使界面附近的位错在变形过程中从主滑移系向次滑移系释放并最终储存，导致界面附近产生塑性释放位错，改善复合材料界面处的位错存储能力和局部均匀变形能力，使复合材料均匀延伸率获得提高。 4）选取Cu@GNS-CNTs为增强体，利用石墨烯构型设计实现了界面结构调控和复合材料力学性能的提升，并揭示了强韧化机制。利用变速球磨结合冷压-烧结-热挤压方式制备复合材料。结果表明：GNS表面的CNTs与GNS之间形成共价结合提高了GNS的承载能力和面外强度，并在GNS边缘处与Al基体反应生成Al4C3纳米棒，进一步改善了GNS边缘与Al基体的界面结合；基于独特的构型设计与稳定的界面结构，Cu@GNS-CNTs相比于同等含量的单一增强体强化效果更为显著，且具有更优异的位错存储能力，从而获得更强的应变硬化能力，实现了复合材料强度和塑性的良好结合。 本论文通过对石墨烯/铝复合材料的界面结构设计，实现了对复合材料的强度和塑性的综合调控优化，研究结果可以为石墨烯增强MMCs的界面结构设计提供理论和实验基础，为制备高性能MMCs提供实现途径。
NETL
