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摘 要

石墨烯是纳米级的二维材料，各个方面的性能都很优秀，例如，热学、力学、电学等。钛基复合材料比强度高，在很多方面都能得到运用。希望通过石墨烯与纯钛复合，以改善纯钛导热导电方面的性能。

实验预计先采用全方位球磨，设置在950 ℃、140 MPa的环境条件下，使用热等静压炉对材料烧结，制备出石墨烯含量分别为0、0.5%、1%的石墨烯增强纯钛复合材料。预计通过OM、SEM、XRD分析方法，研究复合材料的表面形貌和物相组成，并且拟测试复合材料的硬度和拉伸性能。预计得到结论：镀镍后的改性石墨烯能够均匀分散在纯钛基体中，并且能够使钛基体得到细晶强化，从而提高复合材料的硬度与拉伸性能。发现石墨烯和钛基体反应生成了TiC颗粒，对基体有强化作用。

关键词：石墨烯纳米片 钛基复合材料 热等静压烧结 拉伸性能

Microstructure and Tensile Property of Graphene Reinforced Titanium Composites

ABSTRACT

Graphene is a two-dimensional nanoscale material. Based on previous research, we can find that graphene has excellent properties in all aspects, such as thermodynamics, mechanics and electricity. Titanium composites can be used in many fields. We expect to improve the thermal conductivity and other properties of pure titanium by the combination of graphene and pure titanium.

In this experiment, the pure titanium composites reinforced with 0, 0.5 wt% and 1 wt% graphene were prepared by sintering in hot isostatic pressing furnace at 950 °C and 140 MPa. The surface morphology and phase composition of the composites are studied and the hardness and tensile properties of the composites will be tested. It is expected that the modified graphene after nickel plating can be uniformly dispersed in the pure titanium matrix, and the Ti matrix can be strengthened which will improve the hardness and tensile properties of the composite. The TiC particles were formed and can be found between graphene and titanium matrix, which will strengthen the matrix.

Key Words: graphene nanoplatelets(GNPs); titanium matrix composites; hot isostatic pressing sintering; tensile property

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 背景介绍 1

1.1 石墨烯的性质及制备方法 1

1.1.1 石墨烯的性质 1

1.1.2 石墨烯的表面改性方法 2

1.1.3 石墨烯的制备方法 3

1.2 钛基复合材料的制备工艺和性能指标 5

1.2.1 钛基复合材料的制备方法 5

1.2.2 常用于复合材料的性能测试指标 6

1.3 以石墨烯作为增强相的钛基复合材料研究概况 6

1.4 现阶段石墨烯增强钛基复合材料存在的问题与可能的解决办法 8

1.5 本研究拟开展的研究内容和预期目标 8

第二章 研究部分 10

2.1 实验原料 10

2.1.1 基体材料 10

2.1.2 增强材料 10

2.2 样品制备 10

2.2.1 石墨烯的敏化活化处理 10

2.2.2 石墨烯表面镀镍 11

2.2.3 复合粉末的制备—球磨湿法混合 11

2.2.4 粉末料浆的烘干 11

2.2.5 热等静压烧结（HIP） 11

2.3 表征与测试 12

2.3.1 表面形貌与物相组成与结构表征 12

2.3.2 力学性能测试 12

第三章 结果与分析 15

3.1 金相组织观察（OM） 15

3.2 X射线衍射物相分析（XRD） 16

3.3 扫描电子显微镜分析（SEM） 17

3.4 维氏硬度测量 17

3.5 拉伸性能测试 18

第四章 结论 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 背景介绍

1.1 石墨烯的性质及制备方法

1.1.1 石墨烯的性质

石墨烯第一次由人工制备得到是在二十世纪初期的时候，曼彻斯特大学的Geim与Novoselov^[1]教授在实验室中，事先对石墨进行了预处理，然后将处理过后的石墨粘在胶带上，再使用另一条胶带粘结石墨烯，撕开胶带，石墨就被逐渐剥离了。不断重复这样的操作，剥离石墨，最终得到了纳米级的石墨烯。其呈现出二维形态，仅由一层碳原子相互排列组成。石墨烯具有诸如优异的热导性，透气性，高效的电荷传输能力等特点。其力学性能与光学性能也均展现出较好的结果。随着科学技术的不断进步，材料作为科技的基础支撑，其性能的提升也愈发显得重要。结构和功能性复合的固体材料作为性能优于传统材料的新兴方向，其研究和生产已成为发展复合材料的必然趋势。

石墨烯是纳米级的二维材料。通过简单的处理，可以将平面的石墨烯制成许多其它的物质，如图1-1^[2]所示，二维平面的石墨烯可以加工成为零维的富勒烯，一维的碳纳米管，三层的石墨等。由于石墨烯有着不同于一般材料的特殊结构，所以石墨烯也拥有一些特殊的性能。例如，石墨烯拥有超级大的比表面积（2630 m²/g）^[3]，是目前已经被发现的所有物质中最薄、最坚硬与导热性(5000 W·m^-1·k^-1)^[4]最高的材料。从文献中了解到，在室温条件下，石墨载流子可以表现出很高的迁移率（2·10⁵ cm²/(V·s)）^[5]、97.7%^[6]透光率、超高弹性模量（1100 GPa）和抗拉强度（125 GPa）^[7]。

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