Analisi della microstruttura, proprietà di correlazione tribologica e meccanismo di rafforzamento dei compositi a matrice di alluminio rinforzati con grafene

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9561 (2022) Citare questo articolo

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In questo articolo, i compositi a matrice di alluminio rinforzati con grafene vengono preparati con successo mediante macinazione a sfere ad alta energia. I risultati mostrano che nella polvere mista non si trova alcun agglomerato di grafene. I compositi complessi preparati mediante macinazione a palle ad alta energia e metallurgia delle polveri hanno circa 4-5 strati di grafene e lo spessore del grafene a strato singolo è di circa 0,334 nm. I risultati sperimentali finali confermano la formazione del composto AlC3 nella microstruttura e il suo indice di diffrazione è (\(\overline{2 }\)00), (\(\overline{1 }\)1\(\overline{1 }\)) e (11\(\overline{1 }\)). Il coefficiente di attrito massimo è 0,126 e il coefficiente di attrito medio è 0,027, suggerendo una buona resistenza all'usura e alla corrosione. Inoltre, il meccanismo di corrosione per attrito del materiale viene analizzato in modo approfondito. I risultati dell'analisi del meccanismo di rafforzamento mostrano che il principale meccanismo di rafforzamento dei materiali progettati in questo esperimento è il rafforzamento del disadattamento termico. Si può concludere che la resistenza allo snervamento del materiale calcolata dal modello modificato è 227,75 MPa. Questo valore è leggermente inferiore al valore calcolato del modello generale di shear lag (237,68 MPa). Tuttavia, è più vicino al valore di resistenza allo snervamento del materiale reale (211 MPa).

I compositi a matrice di alluminio sono ampiamente utilizzati in molti campi, come quello aerospaziale, automobilistico, militare ed elettronico, grazie alle loro eccellenti proprietà1,2. La tecnologia di preparazione di questo tipo di compositi metallici è gradualmente maturata, includendo la fusione per agitazione, la lisciviazione a pressione, l'agitazione per attrito e la metallurgia delle polveri3. L'approccio di rafforzamento dei compositi a matrice di alluminio consiste nell'aggiungere in qualche modo una fase dura discontinua nella matrice. Diverse fasi di rafforzamento popolari includono particelle di ceramica, baffi, fibre corte e così via4. L'aggiunta della fase dura per migliorare le proprietà dei compositi a matrice di alluminio ha attirato sempre più attenzione. Pertanto, è di grande importanza studiare i compositi a matrice di alluminio migliorati dalla fase dura.

Con lo sviluppo della tecnologia, vengono costantemente esplorate nuove fasi di rinforzo per soddisfare le esigenze dei materiali in più campi. Inoltre, il desiderio di qualche tipo di rinforzo può essere elaborato mediante tecnologia di lavorazione multidimensionale per migliorare il composito a matrice di alluminio. Dal 2004, gli scienziati Geim e Novoselov dell'Università di Manchester nel Regno Unito hanno isolato con successo il grafene dalla grafite utilizzando lo stripping micromeccanico e ne hanno descritto le proprietà elettroniche5. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, il grafene è favorito da un numero crescente di ricercatori e anche il suo campo di applicazione si sta espandendo. Ciò è dovuto principalmente alle eccellenti proprietà termoelettriche del grafene, nonché alla sua resistenza alla trazione di 130 GPa. Il suo modulo di Young è di 1 TPa e ha un'eccellente resistenza alla deformazione6,7. Pertanto, il grafene ha attirato ampia attenzione nella comunità scientifica. È stato scoperto che il grafene viene aggiunto non solo ai materiali metallici ma anche a materiali non metallici. A causa della sua importante influenza sulle proprietà dei materiali, è ampiamente utilizzato nella ricerca e nel miglioramento delle proprietà dei materiali. Il grafene sta ricoprendo un ruolo sempre più importante nel campo dei materiali.

Tuttavia, il grafene presenta alcune limitazioni nelle sue applicazioni. Il grafene ha un'ampia area superficiale specifica fino a 2630 cm2/g8, che rende il grafene facilmente agglomerabile. Se il grafene non è distribuito uniformemente nella matrice, avrà un impatto negativo sulle proprietà del materiale. A tal fine, sono stati tentati diversi approcci per migliorare il problema e ottenere la dispersione uniforme del grafene. Wang et al.9 hanno modificato la polvere di scaglie di alluminio con nanofogli misti di ossido di grafene e alcol polivinilico per ottenere un'efficace dispersione di grafene nella matrice. I compositi vengono preparati con successo mediante metallurgia delle polveri ed estrusione a caldo. Xin Gao et al.10 hanno ottenuto un adsorbimento uniforme di fogli di grafene su polvere di ossido di alluminio attraverso l'attrazione reciproca di cariche diverse. I compositi a matrice di alluminio rinforzati con grafene uniformemente disperso sono stati preparati mediante metallurgia delle polveri. Alcuni problemi urgenti e carenze ne limitano ancora lo sviluppo e l’applicazione. Ad esempio, ridurre il peso del prodotto e garantire allo stesso tempo la resistenza alle alte temperature, la resistenza al morso e la resistenza all'usura del materiale.