【摘 要】
：
石墨烯拥有极高的本征强度,将其用于铝基复合材料有望实现现有材料性能的突破。然而纳米增强体本身具有极高的反应活性,容易与Al基体发生界面反应,生成脆性易水解相Al4C3;同时石墨烯-Al直接结合界面为弱物理结合,无法有效传递基体载荷。为了改善石墨烯-Al界面结构,抑制C-Al界面反应并提升界面结合强度,本文以石墨烯纳米片（GNPs）/6061Al为研究对象展开研究。结合第一性原理计算,利用界面剪切强
论文部分内容阅读
石墨烯拥有极高的本征强度,将其用于铝基复合材料有望实现现有材料性能的突破。然而纳米增强体本身具有极高的反应活性,容易与Al基体发生界面反应,生成脆性易水解相Al4C3;同时石墨烯-Al直接结合界面为弱物理结合,无法有效传递基体载荷。为了改善石墨烯-Al界面结构,抑制C-Al界面反应并提升界面结合强度,本文以石墨烯纳米片（GNPs）/6061Al为研究对象展开研究。结合第一性原理计算,利用界面剪切强度对不同结合方式石墨烯-Al界面构型进行量化评估,筛选适合石墨烯/Al复合材料的最佳界面构型。通过引入过程控制剂和反应工艺调控,实现C-Al界面反应的抑制与不同界面相在复合材料中的原位制备,分析石墨烯含量、石墨烯缺陷与界面相结构对0.6 wt.%GNPs/6061Al复合材料性能与断裂行为的影响。基于修正的载荷传递模型,对石墨烯/Al复合材料屈服强度进行预测,阐明界面主导的材料强化机制。本文基于传统的载荷传递模型,引入界面剪切强度τ和应力分配因子K,建立介观尺度下石墨烯/Al复合材料的表观强化模型。通过模型分析限制石墨烯强化效率发挥的因素,针对性的展开复合材料界面结构调控与制备工艺优化。明确了界面剪切强度τi和基体屈服强度σm的匹配性,提出τi/σm≥0.5作为强结合界面的评价指标。结合第一性原理计算,完成界面构型设计与评价,指导复合材料界面调控。研究了GNPs-Al直接结合界面、GNPs-Al4C3-Al反应结合界面、GNPs-Al2O3-Al过渡层结合界面和GNPs-Al4Si C4-Al过渡层结合界面的结合行为与基本性质,计算界面剪切强度分别为20 MPa、148 MPa、84 MPa和470 MPa。筛选Al2O3过渡层界面为最适合石墨烯/Al复合材料的界面构型。石墨烯缺陷含量对界面结合的影响通过模拟计算,并建立了基于Raman表征ID/IG的石墨烯/Al复合材料中GNPs-Al直接结合界面剪切强度计算模型。通过引入Si基过程控制剂聚二甲基硅氧烷（PDMS）,实现C-Al界面反应的抑制与复合材料界面构型调控。通过材料热力学、第一性原理计算与实验相结合,完成过程控制剂的体系与结构筛选,确定350 mm~2/s PDMS作为过程控制剂,以及球磨转速150 r/min、时间120 min的分散工艺。研究了PDMS在不同温度下的分解产物,未保温时为长链聚合物;400°C/6 h分解为含C=O和Si-O的化合物;600°C/6h下完全分解,分解产物为无定型Si及其氧化物。利用不同温度下PDMS的分解行为差异,通过反应工艺调控,实现了第一性原理计算设计的四种界面结构在0.6wt.%GNPs/6061Al复合材料的制备。通过C-Al反应抑制,将Al4C3界面结构调整为GNPs-Al直接结合界面、Al4Si C4过渡层和Al2O3过渡层界面后,屈服强度分别提升15.2%、33.8%和49.0%,延伸率由2.3%提升到4.8%～5.7%。结合界面剪切强度模拟与复合材料断口观察,明确了不同界面构型复合材料的断裂机制:反应结合界面石墨烯结构被破坏,发生脆性断裂;弱结合界面（GNPs-Al直接结合）观察到界面开裂;强结合界面（Al2O3和Al4Si C4过渡层）观察到石墨烯垂直于断口拔出或断裂。计算与实验相结合,完成关键参数界面剪切强度τi和应力分配因子K的计算与拟合,建立适用于石墨烯/Al复合材料的表观强化模型。建立了基于石墨烯缺陷密度计算石墨烯-Al直接结合界面剪切强度的计算方法。计算石墨烯/Al复合材料中KGNPs=5.08。通过文献拟合石墨烯/Al复合材料KGNPs-R=5.20,拟合Al2O3界面石墨烯/Al复合材料KAl2O3=4.68。结合文献数据验证,发现表观强化模型在弱界面结合（GNPs-Al）和强界面结合（以Al2O3界面为主）GNPs/Al复合材料中均适用。本文建立的石墨烯/Al表观强化模型对复合材料性能预测、界面结构调控、材料制备的设计与指导具有重要意义。
其他文献
作为一种新兴的电磁材料,超表面近些年来从光学领域引入到微波、毫米波以及太赫兹波段,由于其具有体积小、剖面低和出色的波前调控能力等优点,使得基于超表面的电磁波调控器件技术得到了飞速发展。超表面是由人工设计的亚波长尺寸的单元结构所构成的平面阵列,这种亚波长尺寸的人工单元结构可以被看作超表面的功能基元,可以实现对电磁波传播的基本特性（如极化、幅度、相位等）的灵活调控;超表面的人工序构,是将功能基元按照人
糖尿病及其并发症作为重大非传染性疾病之一,主要体现为体内葡萄糖浓度异常波动。因此,研究对于人体分泌液中葡萄糖具有持续检测能力的传感器显得尤为重要。石墨烯场效应传感器具有结构简单、集成度高和响应快速等优点,常被应用于各种生物标志物的检测之中,对于疾病预防与诊断具有重要的研究意义和应用价值。近年来,用于葡萄糖传感领域的硼酸分子探针逐渐进入研究者的视野,但是目前已有的对于溶液中葡萄糖浓度进行检测的硼酸-
随着能源日益短缺和微机电系统的大量应用,传统以化学电池为供能源造成环境污染和定期更换等问题,其持续供能问题矛盾突出。振动能量俘能器作为一种有潜力的、能替代的清洁能源形式,能够为低功耗的微机电系统持续稳定的供能。利用俘能技术能将自然界的振动能转化为有用的电能,其中,振动源包括风能、水能和机械振动能等。由于风能来源广泛且易于俘获,面向自然界中低流速的风能,本文提出基于翼型颤振压电俘能器,能应用于航空航
动态无线供电（Dynamic wireless charging,DWC）技术以非接触的方式实现了电动汽车行驶过程中的实时能量补给,为电动汽车摆脱续航里程不足、车载电池成本高、停车充电频繁等瓶颈问题提供了一个根本的解决途径。动态无线供电系统中,磁耦合机构作为能量传输的核心部件,是决定系统传输性能以及经济性、安全性和可靠性的关键。纵向磁通导轨型（Longitudinal flux stretched
电机系统正在逐步取代传统内燃机、液压装置,成为汽车、航空航天和舰船等运载领域动力执行机构的主流方案。作为动力执行机构的重要指标,可靠性和容错性一直受到重点关注。多相容错永磁同步电机作为一种兼具高功率密度、高可靠性和高容错性的容错电机方案,是未来运载领域动力执行机构的理想选择。为了提高多相容错永磁同步电机的故障隔离能力,本文提出了单双层混合绕组五相永磁同步电机（Hybrid-Single/Doubl
随着图数据的广泛应用,图数据规模也在飞速增长。目前的图数据规模可以轻松地超越GB,达到TB、EB级别。使用内存图分析算法处理大规模图数据时具有高昂的内存空间代价,而使用外存图分析算法需要保证在计算设备内存空间较小时算法的可运行性,难以满足大规模图分析的效率要求。与此同时,图数据不断增长的规模也考验着基于索引的图分析算法。例如,一些子图查询算法需要在内存中存储与输入图规模基本相同的内存索引,部分可达
高熵合金（High-entropy alloys,HEAs）具有稳定的固溶体结构和优异的力学性能,因而其受到了国内外学者广泛的关注。但传统制备工艺往往造成高熵合金构件形状简单,尺寸有限,且其内部存在夹杂、气孔与成分偏析等铸造缺陷,限制了高熵合金的工业化应用。激光熔化沉积（Laser melting deposition,LMD）技术可以加工获得具有均匀组织结构与优异力学性能的金属构件,并在制备大尺
航空发动机是飞机的动力装置,被誉为飞机的心脏,是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志。随着国内航空发动机规模日益增大,技术集成度和系统复杂度持续上升,对先进的预测与健康管理技术（Prognostics and Health Management,PHM）提出迫切需求。目前国内航空发动机PHM普遍存在故障诊断效果不佳、寿命预测不准、维修决策不优、保障成本偏高、决策效率偏低等问题,对发动机PHM关键
随着航天事业的蓬勃发展,越来越多的航天器被送入太空以完成多种多样的空间任务。航天器的姿态控制是保证航天器完成各种现代空间任务的基础,在航天器完成对地/对星观测任务、捕获任务以及跟踪任务等空间作业时,起着至关重要的作用。航天器在轨运行时,其姿态控制系统会受到来自外部环境中的干扰的影响,比如太阳风力矩、重力梯度力矩以及磁力矩等。因此,航天器的姿态控制系统需要具有一定的抗扰能力。此外,航天器自身载荷的运
高理论能量密度(2600 Wh·kg-1)和理论比容量(1675 m Ah·g-1)的锂硫电池具有较大应用价值。针对硫正极中多硫化锂严重穿梭效应和缓慢电化学反应速率等问题,本文对碳载体进行结构设计,构建出小尺度极性位点,研究其对多硫化锂的吸附和催化行为。借助第一性原理计算并结合多种实验与表征方法,本文进行了材料制备与电化学性能研究,探索了极性位点对多硫化锂转化过程的作用机制。主要研究工作如下。采用