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石墨烯/CNTs混雜增強鈦基復合材料設計制備與數值模擬

發(fā)布時間:2021-04-21 18:57
  鈦基復合材料(TMCs)具有高比強度、高比模量和優(yōu)異的耐高溫能力,符合航空航天飛行器、高性能汽車等領域對輕質耐熱高強結構材料的性能要求。然而傳統增強相均勻分布TMCs的強度與塑(韌)性之間存在倒置關系,極大地限制了TMCs的實際應用。為解決該瓶頸問題,本文選擇一維碳納米管(CNTs)和二維石墨烯(graphene)作為高效增強相,利用可控球磨結合放電等離子體燒結(SPS)技術構建了層狀微觀結構,并最終制備出石墨烯/CNTs混雜增強鈦基復合材料。首先,建立了球磨工藝參數與撞擊能量/頻率的定量關系,并通過ABAQUS有限元數值模擬,研究了不同球磨工藝參數下Ti粉的形態(tài)與徑厚比演變規(guī)律,并通過實驗進行了對比驗證即利用并利用掃描電子顯微鏡(SEM)系統表征了不同球磨工藝下Ti粉的形態(tài)與徑厚比演變情況,同時利用X射線光電子能譜儀(XPS)、拉曼光譜儀對球磨后的石墨烯與CNTs分布與存在狀態(tài)進行了表征;隨后,通過Material Studio軟件結合第一性原理計算研究了SPS燒結態(tài)的石墨烯/Ti界面情況。進而通過優(yōu)化的球磨與SPS燒結工藝,制備出石墨烯/CNTs混雜增強鈦基復合材料。ABAQUS有... 

【文章來源】:哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數】:94 頁

【學位級別】:碩士

【文章目錄】:
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究目的和意義
    1.2 石墨烯/CNTs增強復合材料制備現狀
        1.2.1 水熱法
        1.2.2 粉末冶金法
        1.2.3 機械混合法
        1.2.4 沉積法
        1.2.5 原位生長法
    1.3 石墨烯/CNTs混雜增強復合材料的研究現狀
        1.3.1 石墨烯與CNTs的協同分散
        1.3.2 C與Ti的界面結合與界面反應
        1.3.3 層狀結構的構建
    1.4 主要研究內容
第2章 試驗材料及試驗方法
    2.1 試驗材料
    2.2 研究方案
    2.3 石墨烯/CNTs混雜增強鈦基復合材料組織表征與研究方法
        2.3.1 材料組織與結構表征
        2.3.2 Ti粉預先球磨有限元數值模擬
        2.3.3 SPS燒結的CASTEP分子動力學研究
第3章 Ti粉球磨變形過程數值模擬研究
    3.1 引言
    3.2 球磨過程基本參數的計算
        3.2.1 磨球轉動線速度計算
        3.2.2 磨球撞擊頻率計算
        3.2.3 磨球撞擊能量計算
    3.3 Ti粉球磨變形過程模擬結果分析
        3.3.1 球磨參數對粉末徑厚比的影響規(guī)律
        3.3.2 粉末形態(tài)與應力應變分布
        3.3.3 粉末表面粗糙度研究
    3.4 本章小結
第4章 石墨烯/Ti界面SPS燒結第一性原理研究
    4.1 引言
    4.2 第一性原理計算理論
    4.3 石墨烯/Ti界面模型構建
        4.3.1 石墨烯模型構建
        4.3.2 Ti結構模型建立
        4.3.3 石墨烯/Ti界面模型建立
    4.4 SPS燒結溫度對石墨烯/Ti界面的影響
    4.5 本章小結
第5章 石墨烯/CNTs混雜增強鈦基復合材料的制備
    5.1 前言
    5.2 (石墨烯+CNTs)/Ti復合粉體的制備
        5.2.1 鈦粉的預先球磨
        5.2.2 CNTs與石墨烯的分散
        5.2.3 (石墨烯+CNTs)/Ti復合薄片的制備
    5.3 (石墨烯+CNTs)/Ti復合薄片的SPS燒結
    5.4 本章小結
結論
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝


【參考文獻】:
期刊論文
[1]石墨烯增強鈦基復合材料制備工藝與性能研究[J]. 孫峰,王凱旋,楊輝,史一功,楊晶,樓美琪.  鈦工業(yè)進展. 2019(01)
[2]CNTs含量對CNTs/Al復合材料力學性能的影響[J]. 謝昆,王裕,宋騰飛,劉洋,蔡彬.  特種鑄造及有色合金. 2018(09)
[3]球磨工藝對原位合成碳納米管增強鋁基復合材料微觀組織和力學性能的影響[J]. 楊旭東,陳亞軍,師春生,趙乃勤.  材料工程. 2017(09)
[4]旋轉摩擦擠壓加工CNTs/Al復合材料的線材組織和性能[J]. 劉奮成,熊其平,錢濤,劉強,邢麗,柯黎明.  中國有色金屬學報. 2017(01)
[5]分子動力學模擬在復合材料界面研究中的進展[J]. 李健,楊延清,羅賢,金娜,李茂華,黃斌,韓明.  稀有金屬材料與工程. 2013(03)
[6]碳納米管增強金屬基復合材料混料工藝的研究現狀[J]. 田家龍,劉越,趙群,晉冬艷.  材料導報. 2012(11)
[7]球磨法制備納米碳管增強鋁基復合材料的研究進展[J]. 王曉飛,蔡曉蘭,張代明,王開軍.  材料導報. 2010(11)
[8]TiC和TiB混雜增強鈦基復合材料研究新進展[J]. 于蘭蘭,毛小南,張鵬省.  鈦工業(yè)進展. 2008(04)
[9]原位自生非連續(xù)增強鈦基復合材料的研究現狀與展望[J]. 耿林,倪丁瑞,鄭鎮(zhèn)洙.  復合材料學報. 2006(01)

碩士論文
[1]石墨烯/Ti基復合材料界面性質和力學行為的原子尺度模擬[D]. 陳斌溢.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[2]石墨烯/Al基復合材料界面性質與電子結構的第一性原理研究[D]. 劉越.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[3]石墨烯增強鈦基復合材料的第一性原理研究[D]. 何小晶.中北大學 2018



本文編號:3152304

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