[01151125]新型石墨烯金属复合材料制备及应用

技术内容： 本研究主要采用复合电沉积技术制备了镍-铁-石墨烯复合镀层、铝-石墨烯复合镀层和镍-金刚石/石墨烯超薄切割片,采用放电等离子烧结工艺制备了7075铝合金/石墨烯复合材料,研究了各工艺参数对石墨烯复合材料的硬度、强度、耐磨性及耐蚀性等性能的影响规律,获得了石墨烯复合材料制备的最佳工艺参数。同时,利用分子动力学方法对石墨烯复合镀层的沉积生长及力学性能进行了模拟,从微观角度阐释了石墨烯复合镀层的生长机理及性能强化机制。 技术经济指标： 采用复合电沉积技术分别在铝合金基底上首次制备出了镍-铁-石墨烯和铝-石墨烯复合镀层,对石墨烯复合镀层的制备工艺参数进行了优选,揭示了各工艺参数对石墨烯复合镀层硬度、强度、耐磨性等力学性能的影响规律,并对镍-铁-石墨烯复合镀层的生长进行了研究。 采用复合电沉积技术首次成功制备出了镍-金刚石/石墨烯超薄切割片,与传统镍-金刚石超薄切割片相比,其硬度、耐磨性及切割性能均得到明显地提升。本部分的研究为国内同类产品的研制和开发提供了新的思路。 采用放电等离子烧结工艺首次制备出了7075铝合金/石墨烯复合材料,研究了各工艺参数对石墨烯复合材料硬度、强度及耐磨性等力学性能的影响,优选了工艺参数。发现石墨烯复合材料在硬度、耐磨性及耐腐蚀性等方面均比纯7075铝合金材料有显著的提高。 采用分子动力学的方法对铜（111）面上的化学气相沉积过程、多晶铝基底上铝-石墨烯复合薄膜的电沉积过程及拉伸力学性能和磁控溅射铝/石墨烯复合薄膜进行了模拟,阐释了石墨烯薄膜、铝-石墨烯复合镀层的生长机理及石墨烯增强复合材料的强化机制。该项研究对基础理论及实际生产有着重要的意义和价值。 应用推广及效益情况： 铝及铝合金具有密度小、比强度高、良好的导电导热性等优点,在航空航天、船舶及汽车等领域得到广泛应用。但其强度和硬度低、耐磨性差等缺点限制了其应用范围,且因摩擦磨损等材料失效造成巨大的经济损失和资源能源的浪费。因此,通过表面处理及材料强化技术提高铝及铝合金的硬度、强度及耐磨性等力学性能,减小摩擦、降低磨损将为实现节能减排、低碳循环经济做出突出贡献。另外,在高速切削领域中,金刚石切割片的应用最为广泛,但切割片中金刚石微粒易碎裂、脱落,而石墨烯具有良好的延展性,将其嵌入其中可以显著地提高切割片的切割性能。因此,开展镍-金刚石/石墨烯超薄切割片的研究,对满足超精密切削加工工艺的实际需求,促进高精尖科技的进步具有重要的意义。 本项目研究团队对镍-铁-石墨烯复合镀层、铝-石墨烯复合镀层、7075铝合金/石墨烯复合材料及镍-金刚石/石墨烯超薄切割片进行了较为全面的研究,优选出了石墨烯复合材料的最佳制备工艺参数,揭示了各工艺参数对材料性能的影响规律。从实验及理论上探索出了一种新的提高铝及铝合金力学性能及超薄切割片的思路和方法。研究结果具有较大的社会效益及经济效益。