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摘 要

石墨烯被发现以来就受到了学者和研究人员的广泛关注，诸多优异特性而使得石墨烯被广泛用作增强体，在金属复合材料中有着广泛的应用。钛合金用于航空、航天领域结构材料时，更为突出地集中于轻质、高强、高韧及高刚度等方面。利用石墨烯增强钛基复合材料而优化钛合金性能，对于开发钛合金的应用前景具有重大意义。

本实验通过球磨后进行热等静压烧结制备了不同含量的石墨烯增强钛基复合材料，并在相同的工艺参数下制备纯钛合金作为对比。通过热处理工艺，观察微观组织，研究力学性能，以确定最适宜的加入量。结果表明：石墨烯的加入量为0.5 wt%时，复合材料组织致密，晶粒均匀，无明显缺陷，抗拉强度显著提高。冶金界面处结合良好，生成的TiC颗粒对基体起强化作用。

关键词：石墨烯 钛基复合材料 粉末冶金法 组织和拉伸性能

Study on Microstructure and Tensile Properties of Ti-6Al-4V Composites Enhanced by Graphene

Abstract

Graphene has received extensive attention from scholars and researchers since its discovery. Many excellent features have led to its extensive use as an enhancer and some extensive applications in metal composites. Titanium alloys have a lot of characteristic such as low density, high strength, high toughness and high stiffness etc. and are wildly used as aircraft and aerospace structural materials. Utilizing graphene to reinforce titanium-based composite materials and optimizing the performance of titanium alloys is a great significance for the development of titanium alloy application.

This experiment by Ball milling and HIP sintering in preparation of titanium matrix composites reinforced with different levels of grapheme. Pure titanium alloy was prepared under the same parameters for comparison. Through the heat treatment process, the microstructure and mechanical properties have been studied to determine the most appropriate amount of addition. It can be found that： when grapheme addition to 0.5wt%, the composite material structure has the highest density, with uniform grain and no obvious defects can be found. The tensile strength are significantly improved. The TiC particles generated strengthen the matrix and formed the good bonding at the metallurgical interface.

Key words: Graphene;Titanium matrix composites;Powder metallurgic method;

Tissue and tensile properties

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2石墨烯概述 1

1.3石墨烯增强金属基复合材料制备方法 2

1.4石墨烯增强金属基复合材料研究现状 3

1.4.1石墨烯增强铝基复合材料 3

1.4.2石墨烯增强铜基复合材料 4

1.5 TC4合金研究现状 5

1.5.1 TC4合金概述 5

1.5.2石墨烯增强钛基复合材料 6

1.6论文研究目的与研究意义 7

1.6.1本课题的研究意义 7

1.6.2主要研究内容 8

第二章 实验方案 9

2.1实验材料 9

2.2实验设备与仪器 10

2.3实验方法 13

2.3.1复合材料的制备过程 13

2.3.2显微组织观察 13

2.3.3力学性能测试 14

第三章 实验结果与分析 15

3.1金相表征 15

3.2 XRD图谱分析 16

3.3 SEM表征 17

3.4拉伸性能测试 17

第四章 结论 20

参考文献 21

致 谢 24

第一章 绪论

1.1课题研究背景

石墨烯（Graphene）是一种二维碳纳米材料，它的结构是由碳原子以sp²杂化轨道构成的六角蜂窝型结构^[1]，是目前世界上已知强度最大的材料之一。因其具备高强度，硬度，很好的韧性，可以弯曲，且比表面积高^[2]，具备极好的导电导热性而被普遍用作增强体材料以提升金属基复合材料的性能。其中作为金属基材料的增强材来提高材料的导电及导热等一系列性能愈来愈受材料研究者的重视。此外由于石墨烯的纳米级结构，与金属材料复合不但可以大幅减小增强体尺度，同时也能提高弥散度，显著提高复合材料的强度和韧性，对于开发钛合金的应用前景具有重大意义。

Ti-6Al-4V钛合金(TC4)材料属于(α β)型钛合金，具有较低的密度，较高的比强度和优异的抗氧化性而广泛应用于汽车、海洋、航天航空、军事和化学工业中^[3-6]。在考虑应用于这些行业时，如何做到更加节能，从而减少燃料消耗，进一步提高钛合金的力学性能非常重要。因而从合金增强体设计和加工工艺优化两个方面改善钛合金的组织及其性能并得到超高强度合金已成为国内外钛科技工作者研究的热点。

1.2石墨烯概述

图1-1 石墨烯

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