石墨烯基无机纳米复合材料
2019-03-07 09:03:45
石墨烯是近年被发现和组成的一种新式二维平而碳质纳米材料。因为其别致的物理和化学性质，石墨烯己经成为备受瞩目的科学新星，是纳米材料范畴的一大研讨热门。在石墨烯的研讨中，根据石墨烯的无机纳米复合材料是石墨烯迈向实践使用的一个重要方向。金属/石墨烯纳米复合材料金属/石墨烯纳米复合材料是经过将金属纳米粒子涣散在石墨烯片上构成的。现在，对该类复合材料的研讨首要会集在用贵金属等功能性金属纳米粒子润饰石墨烯，这不只能够得到比金属自身功能更优越的复合材料，显现出潜在使用价值，并且能够削减贵金属的耗费，具有很大的经济价值。石墨烯与铂系金属的复合用表而积大、导电性好的碳材料负载纳米尺度的铂系催化剂能够明显进步其在质子交流膜燃料电池(PEMFC)中的电催化功能。这不只能够使催化剂表而积最大化，以利于电子的传递，并且导电性的支撑材料起到了富集和传递电子效果。现在所用的首要支撑材料是炭黑，但因为石墨烯有着愈加优异的功能，所以被以为是更为抱负的支撑材料。美国圣母大学的Kamat等用NaBH、复原H2PtCh与氧化石墨烯的混合液，组成了Pt/CE纳米复合材料，所得的复合材料在氢氧燃料电池中的电催化活性(161mW /cm2)高于无支撑的Pt (96mW/cm2)，标明石墨烯是开展电催化的有用支撑材料(图1)。图1 Pt/GE电催化反响暗示图南京理工大学汪信课题组提出了制备金属/石墨烯纳米复合物的一般道路:先制备氧化石墨，并超声剥离成氧化石墨烯;然后将金属纳米粒子附着在氧化石墨烯表而;终究复原构成石墨烯/金属纳米复合物(如图2所示)。别的，微波法是一种快速有用地制备金属/石墨烯复合材料的办法。图2制备金属/石墨烯纳米复合物的一般道路:1)将石墨氧化得到层间隔更大的氧化石墨，(2)将氧化石墨剥离得到氧化石墨烯片，(3)将金属纳米粒子附着在氧化石墨烯片上，(4)将氧化石墨烯复原成石墨烯，得到金属/石墨烯纳米复合材料石墨烯与金属Ag的复合南京理工大学汪信课题组以氧化石墨烯为基底，用AgNO3,葡萄糖及经过银镜反响，制备出具有高反射率的Ag纳米粒子薄膜。Ag的附着导致薄膜中氧化石墨烯拉曼信号的增强，其增强程度能够经过氧化石墨烯片在Ag纳米粒子的数量进行调理。图3 一步组成Ag/GO复合材料暗示图Pasrich等将Ag2SO4、参加含KOH的氧化石墨烯悬浮液中，因为氧化石墨烯上的轻基具有酚的弱酸性，在碱性条件下生成酚盐阴离子，酚盐阴离子经过芳香族亲电取代反响将电子搬运给Ag+，使Ag+被复原，生成Ag/CO复合物(如图3所示)，用胁复原该复合物得到了Ag/CE复合物。石墨烯与其他金属材料的复合Stark等不必表而活性剂，以石墨烯作为涣散剂包裹在Co表而;然后与聚合物(PMMA,PEO)复合，得到了CE/Co/聚合物复合材料。该材料结合了金属与聚合物的优异功能，为石墨烯供给了一个新的使用途径。Warne:等用简略的办法将CoCl2纳米晶附着在石墨烯上，HRTEM显现CoCl2纳米晶在石墨烯表而发作平动和滚动，终究结组成单个晶粒，在真空下退火可将CoCl2转化成Co，构成Co/CE复合物。该项研讨显现出用石墨烯作为HRTEM分析支撑薄膜的使用远景。半导体/石墨烯纳米复合材料石墨烯因为其共同的电学性质，使得其与半导体材料的复组成为一个热门研讨课题。石墨烯作为半导体纳米粒子的支撑材料，能够起到电子传递通道的效果，然后有用地进步半导体材料的电学、光学和光电转化等功能。例如，用作锂离子电池(LIB)电极材料的半导体纳米粒子与石墨烯制成纳米复合材料，能够有用阻比纳米粒子的聚会，缩短锂离子的搬迁间隔，进步锂离子嵌入功率;一起，能够缓解锂离子嵌入-嵌出所形成的体积改变，改进电池的循环安稳性。石墨烯与TiO2的复合TiO2因其安稳、无污染的特性而成为最佳的光催化材料之一。因为光激起TiO2发生的电子空穴对极易复合，所以使用石墨烯共同的电子传输特性下降光生载流子的复合，然后进步TiO2光催化功率成为了一个研讨热门。图4 (a) TiO, /GE及其受紫外光激起暗示;(b)以石墨烯为载体组成多组分催化体系暗示图美国圣母大学的Kamat等将氧化石墨粉末参加TiO2胶体涣散液中超声，得到包裹着TiO2纳米粒子的氧化石墨烯悬浮液，在氮气的维护下用紫外光照耀悬浮液，得到TiO2/CE复合材料。TiO2作为光催化剂将光电子从TiO2搬运至氧化石墨烯片上，紫外光被以为起到了复原剂的效果(图4a)。该法不只供给了一种氧化石墨烯的紫外光辅佐复原技能，并且为取得具有光学活性的半导体/石墨烯复合材料拓荒了新的途径。最近，该课题组初次组成了以石墨烯为载体的多组分催化体系，他们首要经过光激起将电子从T1O2转至氧化石墨烯片上，部分电子用于氧化石墨烯的复原，其他的电子储存在复原后的石墨烯片上;然后向石墨烯悬浮液引进AgNO3，储存在石墨烯片上的电子将Ag+复原成Ag，然后组成了TiO2和Ag处于别离方位的二维TiO2/Ag/CE催化体系(图4b)。石墨烯与Co3O4的复合Co3O4是一种重要的磁性P型半导体，在催化剂、磁性材料、电极材料等范畴有着很大的使用价值Co3O4与石墨烯的复合被以为能够改进其功能并扩展其使用范畴。图5使用金属有机前驱体组成Co/GE和Co3O4/GE复合材料暗示图Yang等研讨了使用金属有机前驱体组成金属或金属氧化物与石墨烯的复合材料的办法，他们用酞著钻(CoPc)与氧化石墨烯片在中混合后用胁复原，组成了CoPc/CE复合物;然后将所组成的复合物在维护下高温分化生成Co/CE复合物;终究将Co/CE复合物在空气中氧化生成Co3O4/CE复合物(如图5所示)。石墨烯与SnO2的复合现在，SnO2的一个重要开展方向是代替碳材料作为锂离子电池(LIB)负极材料，但因为SnO2充放电过程中体积改变大，然后下降了其循环安稳性。研讨者期望经过其与石墨烯的复合来改进这一点。石墨烯与ZnO的复合ZnO半导体因为具有宽的带隙和较大的激子结合能，在场发射显现器、传感器、晶体管等范畴具有潜在的使用价值。国内外研讨者期望经过其与石墨烯的复合进一步扩展其使用规模。图6水热法在石墨烯片上组成规矩摆放的ZnO纳米棒暗示图Park等研讨了经过水热法在石墨烯片上组成ZnO纳米棒阵列的办法:首要经过化学气相堆积法(CVD)使石墨烯在涂有Ni的SiO2/Si基片上成长(图6a};然后将涂有聚甲基酸甲酷CPM M A)的基片浸入HF中得到游离的PMMA/CE(图6b);再将起维护效果的PMMA溶解在中;终究别离经过两种办法在石墨烯上水热组成了规矩摆放的ZnO纳米棒。石墨烯磁性纳米复合材料人们不只研讨了半导体化合物与石墨烯的复合，还使用其他功能性无机化合物纳米粒子润饰石墨烯。如用磁性纳米粒子润饰的石墨烯材料在电磁屏蔽、磁记录及生物医学等范畴具有宽广的使用远景，是石墨烯复合材料研讨的一个重要方向。结语及展望根据碳纳米管的无机纳米复合材料因为其优秀的性质己经在生物医药、催化、传感器等使用范畴得到了广泛而深化的研讨。与碳纳米管比较，石墨烯具有类似的物理性质、更大的比表而积和更低的生产成本，所以石墨烯是代替碳纳米管组成碳基无机纳米复合材料的抱负基体材料。尽管与石墨烯/聚合物复合材料比较，石墨烯基无机纳米复合材料的研讨起步较晚，但在短短的几年内，石墨烯基无机纳米复合材料的组成及其相关使用的研讨己经取得了很大的发展。但要真实完成石墨烯基无机纳米复合材料大规模组成和产业化使用还而临很多问题和应战。文章选自：化学发展
作者：柏篙、沈小平
石墨烯基纳米复合材料的主要掺杂方法
2019-03-06 10:10:51
碳元素广泛存在，具有许多同素异形体，常以为石墨是由二维网状碳原子组平面经有序堆叠成的晶体，其单层网状平面结构晶体在自然界中并不能独自安稳存在。但早在1988年日本东北大学教授以蒙脱土为模板，用腈做质料，在模板二维层间制得石墨烯片层结构，但当去除模板后不能独自存在，敏捷生成了三维石墨体。
随后2004年英国科学家成功用机械剥离法将石墨层片剥离，取得了碳 原子sp2杂化衔接的单层石墨层片。此种可安稳存在的二维单原子厚度碳原子晶体——自由态石墨烯(Graphene)，其根本单元结构是最具安稳结构的六元环，它的发现充分了碳元素宗族，可作为零维富勒烯、一维碳纳米管(特别单壁CNT)、三维金刚石及石墨的根本结构单元，是当时抱负的二维纳米材料，结构如图1。 图1 石墨烯的二维单原子层结构(a)和石墨烯为根本结构单元构成的sp2碳质材料(b)
石墨烯与富勒烯和碳纳米管比较，其报价便宜，质料易得，且质量轻，抱负比表面积大(2630 m2/g)，导热功用好[3000 W/(m·K)]，拉伸模量和极限强度与单壁碳纳米管适当，一起因为其维数不同，石墨烯也有自己特有性质，如手性的载流子、量子隧穿效应、不会消失的电导率、二维零停止的Dirac费米子系统、搬迁速度高的双极性电流、安德森局域化的弱化现象、半整数的量子霍尔效应及双层石墨烯的场效应，可望成为纳米复合材料的优质基体或填充材料，引起国内外对二维碳材料的研讨热门。
一、石墨烯的制备
近年来，许多科学家致力于探究制备单层石墨烯的途径，特别是要制备高质量、产率高、成本低、结构安稳的石墨烯的办法。现在制备石墨烯的办法首要有以下几种：
①剥离法，包含微机械剥离法和溶剂剥离法等;
②成长法，包含晶体外延成长、取向附生法、化学气相堆积等;
③氧化复原石墨法，包含常用的Hummers法、Standenmaier法、Brodie法等;
④其它办法，首要有电弧放电法、石墨层间化学物途径法、现在十分新颖的高温淬火法与碳纳米管剥开法等。
二、石墨烯基纳米复合材料首要掺杂办法
石墨烯具有适当大的比表面积及共同电子搬迁功用，成为基体载体的抱负材料，经过掺杂可以对石墨烯进行化学改性，然后增强其物化功用。首要的掺杂办法：元素掺杂法、氧化物掺杂法、碳质材料掺杂法等。
2.1元素掺杂法
元素掺杂法可使石墨烯进行化学改性，增强其物化功用。在半导体材料运用中，它是一种十分有用的办法，一起也广泛运用到新式的催化剂范畴中。元素掺杂包含非金属元素掺杂和金属元素掺杂。
2.1.1非金属元素掺杂法
非金属元素掺杂，望文生义是在石墨烯上掺杂非金属元素纳米粒子，即该元素替代了碳原子的方位，在石墨烯上归于代位式杂质，构成了电子搬运或电子空穴。
美国斯坦福大学的Wang等，经过高强度的电子焦耳热加热，使石墨烯和气经过电热反响制备出n-型N掺杂的石墨烯纳米复合材料。通常状况下，石墨烯较简单被掺杂构成p-型(空穴导电)半导体材料。在实践运用傍边，经常也需求n-型(电子导电)掺杂的半导体。
2.1.2金属元素掺杂法
金属元素掺杂，便是金属纳米粒子掺杂。石墨烯具有上下两面的比表面积，作为支撑载体，可供金属纳米粒子重复地镶嵌与脱嵌的结构应变，可表现出杰出的循环功用。一起金属纳米颗粒也具有较大的比表面积和强的催化功用。所以此种掺杂法可使得制备出的纳米复合材料比表面积显着增大，更有利于电子搬迁或储能、储氢空间的扩展以及催化活性的增强。
Kou等经过热膨胀氧化石墨制备出功用化石墨烯片，用Pt的前体H2PtCl6·xH2O处理得出均匀直径约为2 nm巨细的Pt催化剂纳米粒子。选用浸渍法将此Pt纳米粒子均匀地掺杂到此功用化石墨烯片(FGSs)上，取得FGSs-Pt纳米粒子复合材料，故此纳米材料具有更大的比表面积，更好的氧化复原功用且比一般的商业催化剂具有更安稳更优秀的催化功用。
Chao等运用溶液混合法别离制备了Au、Pt、Pd与石墨烯掺杂的纳米复合材料。将这些贵金属(Au、Pt、Pd)的前体(HAuCl4·3H2O、K2PtCl4、K2PdCl4)水溶液和乙二醇都加到经超声后的氧化石墨水溶液中，最终得到金属粒子掺杂的石墨烯纳米复合材料。
2.1.3化合物掺杂法
石墨烯一般状况是由氧化石墨制备成的。氧化石墨具有准二维层状结构，片层上赋有较多极性含氧官能团，易于同具有较高表面活性的纳米氧化物或其它化合物结合，可生成化合物掺杂的氧化石墨烯(GO)复合材料。
Chen等使用调理溶液pH值，反响温度等的液体插入法，经过静电效果，使金属阳离子及其配离子经过静电吸附到氧化石墨烯层间活性基团上，在低温下快速沉积成功制备出了针状的MnO2掺杂的石墨烯插层纳米复合材料，此复合材料电化学功用有了很大进步，跟着MnO2掺杂量的不同，电容量巨细也不同，GO可进步MnO2的分散性，其协同效果使电化学功用得到必定程度的进步。
Cao等选用溶剂热法，用二甲基亚砜作为溶剂，此二甲基亚砜既是溶剂更是作为复原剂，可复原氧化石墨烯，合成了纳米CdS掺杂的石墨烯复合材料，此CdS在石墨烯表面的分散性较好且粒径较小。
2.1.4碳质材料掺杂法
试验证明石墨烯是一种较好的超级电容器碳材料，其理论比表面积很大，但会在枯燥后失掉层间的水以及其它溶剂，然后发作层与层之间的叠层以及聚会等现象。
为了处理枯燥后石墨烯叠层和聚会的发作，经过掺杂碳纳米管到石墨烯层间，即碳纳米管上的官能团与石墨烯上的官能团彼此发作反响，使得碳纳米管接枝在石墨烯表面，使得石墨烯层与层之间彼此分脱离，然后到达进步石墨烯枯燥后的比表面积。
Dimitrakakis等规划了一种石墨烯和碳纳米管掺杂的复合结构，，用蒙特卡洛办法计算出，此结构的储氢才能只稍微低于美国能源部标准45g/L。一起研讨石墨烯的储氢功用，也对提醒在其表面的吸附方式有着重要意义。
葛士彬用肼做复原剂，复原氧化石墨水溶液，成功将碳纳米管掺插到石墨烯层间，制得碳纳米管/石墨烯纳米复合材料，把其做成电极片测验其电容功用。
三、结语
石墨烯从一个新生儿敏捷成为科学界的新宠，其优异功用逐步被开掘，运用范畴也不断地被开发。这些掺杂法制备出的纳米复合材料运用广泛，首要在超级电容器、传感器、储氢方面以及生物医学等范畴杰出。
但石墨烯的开展也存在一些问题，例如，该怎么大规模制备高质量石墨烯，使其不会发生较多的褶皱，以及怎么坚持其安稳的分散性，使其层间剥离后，不会从头堆积成多层的石墨烯片或是复原回石墨。此外，一些石墨烯的其它功用现在还不清楚，如磁性、光学功用等。因而往后应着力于开辟石墨烯和其它学科范畴的穿插，探究石墨烯功用化及一些其它新功用。
节选自：《化工发展》
作者：张紫萍，刘秀军，李同起，胡子君
微纳米复合材料有望颠覆复合材料生态体系
2019-01-03 15:20:50
麻省理工学院机械工程系终身教授方绚莱博士参与开发的微型晶格纳米架构材料，在全球知名的《麻省理工学院技术评论》评选的2015年十项可能改变世界的技术中，如今，基于这项颠覆性技术，方绚莱回国创业，力争弥补我国在功能性复合材料领域的空白。该技术所用的材料都是以往所熟悉的塑料、金属和陶瓷等材料，新技术通过改变材料结构提升性能，使材料在拥有原本高强度、高硬度的同时，大幅减轻重量。中国粉体网讯 “同样体积的铝球和铁球，同时从楼顶自由落下，哪个先落地?”使用全球最前沿的微纳米架构材料技术之后，答案可能是纸球。
由麻省理工学院(MIT)机械工程系终身教授方绚莱博士参与开发的微型晶格纳米架构材料，在全球知名的《麻省理工学院技术评论》评选的2015年十项可能改变世界的技术中，排名第二，全球仅有美国和欧洲的数支团队掌握该技术。如今，基于这项颠覆性技术，方绚莱回国创业，力争弥补我国在功能性复合材料领域的空白。日前，方绚莱在京受访时解释了这项颠覆性技术。他表示，该技术所用的材料都是以往所熟悉的塑料、金属和陶瓷等材料，新技术通过改变材料结构提升性能，使材料在拥有原本高强度、高硬度的同时，大幅减轻重量。
实现该材料结构的生产，目前主要采用一项先进的微纳米打印技术层层构建起来，但规模化生产仍然是难题。方绚莱说，希望在不断加大研发的基础上，解决产能瓶颈，达到规模效应。预计将在3-5年的时间内可以见到这项新材料的规模化应用。他表示，可以想象，这项技术在汽车、高铁、医疗等领域都将拥有非常广阔的应用前景，并对相关工业产生巨大影响，颠覆复合材料的生态体系。
业内人士称，国内新材料产业与国际先进水平仍存在较大差距，颠覆性技术的研发与投资将有助于提升国内新材料及先进制造业技术水平。
镁基复合材料的制备
2019-01-03 09:37:07
镁及镁合金虽具有密度低、比强度大、比刚度高和抗冲击性强等诸多优点。但是也有一些固有缺点，如硬度、刚度、耐磨性、燃点较低、不是一种良好的结构材料，使其应用受到相当大的制约。若向镁基体中添加陶瓷颗粒或碳纤维制成复合材料，则可以在很大程度上改善镁的力学性能，提高耐热和抗蠕变性能，降低热膨胀系数等。可作为复合材料增强相的颗粒有：氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷、石墨和碳纤维等。制备镁基复合材料的工艺主要是：铸造法、粉末冶金法、喷射沉积法。
铸造法
铸造法是制备镁合金复合材料的基本工艺，可分为搅拌混合法、压力浸渗法、无压浸渗法和真空渗法等。
搅拌铸造法(Stiring Casting)
此法是利用高速旋转搅拌器浆叶搅动金属熔体，使其剧烈流动，形成以搅拌旋转轴为中心的漩涡，将增强颗粒加入漩涡中，依靠漩涡负压抽吸作用使颗粒进入熔体中，经过一段时间搅拌，颗粒便均匀分布于熔体内。此法简便，成本低，可以制备含有Sic、Al2O3、SiO2、云母或石墨等增强相的镁基复化材料。不过也有一些难以克服的缺点：在搅拌过程中会混入气体与夹杂物，增强相会偏析与固结，组织粗大，基体与增强相之间会发生有害的界面反应，增强相体积分数也受到一定限制，产品性能低，性价比无明显优势。用此法生产镁基复合材料时应采取严密的安全措施。
液态浸渗法(Liquid infiltration process)
用此法制备镁基复合材料时，须先将增强材料与黏接剂混合制成预制坯，用惰性气体或机械设备作用压力媒体将镁熔体压入预制件间隙中，凝固后即成为复合材料，按具体工艺不同又可分为压力浸渗法、无压、浸渗法和真空浸渗法。可用挤压、铸造机进行浸渗，也可以用专用浸渗装备。增强相与镁熔体之间的浸润性对浸渗过程有重要影响，是关键的工艺参数。当浸润角θ
粉末冶金法
该法是将预制的镁粉或镁合金粉与陶瓷粒子均匀地混合为一体，经真空除气、固结成形后再进行压力加工制成所需形状、尺寸和性能的复合材料半成品。粉末固结工艺有热压和冷热、温等静压。此法主要优点：基体合金组织微细，可随意调控增强相的分数，甚至可高达50%左右，陶瓷颗粒尺寸可小于5μm，但不足之处是金属粉末在制备和贮存过程中易表面氧化，对材料塑性及韧性不利;制备大尺寸锭坯及需要大型设备和模具，投资较大;所采用的温度低，不会发生有害界面反应，有利于材料塑性及韧性提高。
粉末锭坯经挤压、锻造大变形加工后，粉末颗粒会结合在一起，材料密度可接近理论值。
喷射沉积法
喷射沉积工艺是制备高性能合金材料的有效方法之一，若在喷射沉积过程中将陶瓷颗粒导入雾化锥中，与雾化颗粒共沉积，可以制得陶瓷颗粒增强的复合材料。喷射共沉积法制备AZ91、QE22合金/Al2O3或SiC颗粒复合材料的弹性模量、耐磨性都大幅度提高，膨胀系数有较大下降。
由于喷射工艺流程短，材料制备比较简单、便利;增强颗粒在基体金属中分布均匀，界面反应很轻微，因而性能优异。QE22/SiCp复合材料锭坯孔隙体积分数高达20%，经挤压后，具有优异的强度和塑性，其伸长率达到12%，而传统铸造QE22合金的伸长率只不过2%。
高性能铜基复合材料介绍
2019-03-14 11:25:47
什么高功用铜基复合材料？高功用铜基复合材料介绍有哪些内容？关于这些问题咱们马上来具体介绍，首要来看高功用铜基复合材料介绍-简介： 铜及铜合金机械功用杰出，且工艺功用优秀，易于铸造、塑性加工等，更重要铜及铜合金有杰出耐蚀、导热、导电功用，所以它们能广泛使用于电子电气、机械制作等工业范畴。可是，铜室温强度、高温功用以及磨损功用等诸多方面缺乏约束了其愈加广泛使用。而跟着现代航空航天、电子技能快速开展，对铜运用提出了更多更高要求，即在确保铜杰出导电、导热等物理功用基础上，要求铜具有高强度，尤其是杰出高温力学功用，并且要求材料有低热膨胀系数和杰出冲突磨损功用。我国第一条高速铁路京沪线总投资约200亿美元，2008年现已开工建造，触摸线年需求量近万吨，明显触摸线研制，即高强高导高耐磨铜合金功用材料研制有着很大国内外市场。电阻焊电极，缝焊滚轮，集成电路引线结构也需求高强度高导电性铜合金，现有牌号铜及铜合金高强高导方面难以统筹。所以通过引进恰当增强相复合强化办法，发挥基体和功用强化相协同作用，研制高功用铜(合金)基功用复合材料成为当今世界抢手课题。 所谓高强高导铜合金，一般指抗拉强度(Gb)为纯铜2-10倍(350-2000MPa)，导电率一般为铜50％~95％，即50-95％IACS铜合金。国际上公认抱负目标为δb=600-800MPa，导电性至≥80％IACSE。高强高导铜合金首要使用范畴电子信息产业超大规模集成电路引线结构，国防军工用电子对抗，雷达，大功率军用微波管，高脉冲磁场导体，核配备和运载火箭，高速轨道交通用架空导线，300-1250Kw大功率调频调速异步牵引电动机导条与端环，汽车工业用电阻焊电极头，冶金工业用连铸机结晶器，电真空器材和电器工程用开关触桥等，因此这类材料许多高新技能范畴有着宽广使用远景。 高功用铜基复合材料介绍-分类： 1、颗粒增强铜基复合材料 增强体首要为碳化硅和氧化铝，亦有少数氧化钛和硼化钛等颗粒(粒径一般为10μm左右)。晶须不只自身力学功用优越，并且有必定长径比，因此比颗粒对金属基体增强作用更明显，晶须常用碳化硅和铝晶须等。合金化工艺能够制备氧化物弥散强化和碳化物弥散强化铜基复合材料。 2、纤维增强铜基复合材料 铜或铜合金与非金属或金属纤维制作复合材料既坚持了铜高导电性、高导热性，又具有高强度与耐高温功用。制作此类铜基复合材料时，既有用长纤维，也有用短纤维。碳纤维-铜复合材料因为既具有铜杰出导热、导电性，又有碳纤维自光滑、抗磨、低热膨胀系数等特色，然后用于滑动电触头材料、电刷、电力半导体支撑电极，集成电路散热板等方面。铜-碳纤维复合材料工业出产中另一个使用实例电车导电弓架上滑块，滑块电车及电气机车上易损件，最早选用金属滑块，现在选用碳滑块，但都有缺乏之处。选用碳纤维-铜复合材料后，使触摸电阻减小，防止过热，一起进步强度及过载电流，并有优秀光滑及耐磨性。 3、高功用显微复合铜合金 高功用显微复合铜合金材料本世纪70年代研讨超导材料时发现。1978年美国Harvard大学Bark等人最早提出高功用Cu-X合金概念，Cu-X二元合金，X包含难熔金属W、Mo、Nb、Ta和Cr、Fe、V等元素，Cu—X材料经铸造、拉拔或轧制后，X金属沿变形方向以丝状或带状散布，构成显微复合材料，此显微复合铜合金材料特色是超高强度(最高抗拉强度可达2000MPa以上)，电导率可达82％IACS，杰出耐热性及显微复合安排和晶粒择优取向。此材料除了能够作点焊电极外，还可作推进器和热交换器，与传统铜合金材料比较，它含有合金元素总量多，但合金元素品种少。Cu—X合金以其超高强度，高电导率以及杰出耐热性引起了人们注重。现在，美国Iowa大学，Harvard大学材料系，AMES实验室以及Michigan理工大学，还有国内浙江大学在这方面作了许多研讨工作，但仍有许多理论问题和实践使用问题有待处理。 高强高导铜基复合材料介绍-制备办法： 1、粉末冶金法 粉末冶金法最早开发用于制备颗粒增强金属基复合材料工艺，一般包含混粉、压实、除气、烧结等进程。粉末冶金一种近净成型工艺，材料使用率高，能够消除安排和成分偏析，并且颗粒增强相粒度和体积分数能够较大范围内调整。该办法出产铜基复合材料中结构件、冲突材料、及高导电率材料首要手法。因为铜和大部分陶瓷增强颗粒浸润性差，密度相差较大，选用液态法制备复合材料时简略发作增强物集合，导致第二相散布不均匀。粉末冶金法能够按所需份额将金属粉末和增强物混合均匀，处理了增强物散布问题。为了增强铜与增强颗粒界面结合强度，一般选用化学堆积等办法增强颗粒表面包覆Cu、Ni等金属涂层，然后再与铜粉混合均匀，使用粉末冶金办法制得复合材料[11]。因为增强颗粒包覆金属涂层后基体金属中散布愈加均匀，减少了增强物间直触摸摸，更有利地发挥了其强化作用。一起，通过包覆不同金属还能够改进界面结构，增强界面结合强度，进步复合材料归纳功用。 2、复合铸造法 铸造办法工业化大出产首选办法。但关于这种复合材料铸造后，一般会有辅佐形变工艺。形变强化作用会因为冷变形金属再结晶而失效。因大多数金属再结晶温度仅为其熔点温度40％左右，所以用铸造办法得到材料，其抗高温功用相对差。复合铸造工艺为美国麻省理工学院M．C．Flemings等所提出。这种办法较好处理了增强相偏析，出产工艺简略，习惯了复合材料大规模工业化出产趋势，有较大开展优势。可是复合铸造因为熔体粘度大，不利于气体和夹杂物排出，所以制备材料中常有气孔和夹杂物存在；此外，这种办法温度操控也比较困难。 3、内氧化法 内氧化法制备铜基复合材料最常用办法之一，可获得均匀散布细微弥散颗粒并能够准确操控强化相数量。该工艺典型使用是制各Cu—A1203弥散强化铜基复合材料，其工艺铜中添加少数固溶于铜，但比铜生成氧化物倾向大合金元素铝，制成铜铝合金粉末，从粉末表面向内部分散氧，使合金雾化粉高温及氧气气氛下发作内氧化，铝转变为氧化铝，然后气氛下把氧化了铜复原出来，但氧化铝不能复原，制成铜和氧化铝混合粉末，最终必定压力下烧结成形。用内氧化法制作Cu-A1203成形固化技能上有些问题，极难进行粉末烧结，且工艺杂乱，本钱高。内氧化法缺乏之处工序冗杂，影响制备进程要素许多，材料质量难以操控且出产本钱高，因此极大地约束了该工艺使用。。 4、液态金属原位法 液态金属原位反响法近年来开展起来铜基复合材料新式制备技能之一。Lee等人首要成功制备了TiB2／Cu复合材料。该办法将两种或多种合金液体充沛拌和混兼并通过化学反响发作均匀弥散散布纳米级增强物。用该法制得含5vo1％TiB2Cu基复合材料电导率达76％IACS。Chrysanthou等Cu-Ti溶液平分别参加碳黑、B203或一起参加W碳黑通过反响生成细微且均匀布TiC、TiB2、WC颗粒原位增强铜基复合材料。因为该工艺制备复合材料中增强体没有界面污染，与基体有杰出界面相容性，因此比传统复合材料具有更高导电性和机械强度。 5、快速凝结法 快速凝结法因为凝结进程冷却速快、开始形核过冷度大，成长速率高，成果使固、液界面违背平衡，因此呈现出一系列与惯例合金不同安排和结构特征。选用快速凝结制备铜基复合材料有以下特色： (1)合金元素铜中固溶度明显增大； (2)晶粒大大细化； (3)化学成分显微偏析明显下降； (4)晶体缺点密度大大添加； (5)构成了新亚稳相结构； (6)经时效处理后，铜基体中第二相含量进步，弥散程度增大。 导电率稍有下降情况下，合金强度得到了明显进步，并改进了合金耐磨、耐腐蚀功用。快速凝结技能为制备高强高导铜基复合材料开发拓荒了一个新范畴。往后快速凝结制备高强高导铜基复合材料研讨重点是：通过对凝结进程和时效进程分析来优化材料成分、凝结动力学参数和时效工艺，改进显微安排结构和功用。 6、机械合金化法 机械合金化使用高能球磨机，按必定份额混合金属粉末或陶瓷粒子，重复研磨，使复合粉末通过重复变形、冷焊、破碎、再焊合、再破碎重复进程，可使晶粒细化到纳米级，并具有很大表面活性[17]。因为引进许多畸变缺点，彼此分散才能加强，激活能下降，使合金化进程不同于普通固态进程，因此有或许制备出惯例条件下难以组成许多新式材料。机械合金化制备铜基复合材料缺乏之处在于球磨进程中简略带入杂质元素而下降材料功用特别是导电功用，一起因为球磨时间过长而导致出产功率低下。
铝基复合材料的粉末冶金制备法
2019-03-11 13:46:31
铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属、非金属颗粒、晶须或纤维为增强体的非均质混合物，在航空航天、汽车工业等范畴得到广泛的运用。因为选用粉末冶金法可使增强体以恣意份额添加到复合材料基体中，增强体也易于在微观上构成更均匀的散布，且烧结温度低，界面反响简单操控；一起，材料的功能和稳定性显着优于其他办法制备的材料，所以粉末冶金法成为现在制备铝基复合材料最常用的一种工艺。
粉末冶金法制备复合材料的详细工艺包含以下几个过程。 一．混粉。 一般混粉的办法有普通干混、球磨及湿混。在这三种混粉办法中，普通干混及湿混简单呈现增强体散布不均匀及很多的聚会、分层等现象，一般较为常用且有用的是球磨。 二．粉末预压。 在混粉完毕后，即进行粉末预压处理。粉末预压成形办法主要有冷压和冷等静压。比较之下，冷压是最为经济、常用的粉末预压成坯法。在铝合金粉末预压后，一般要求预压坯密度为复合材料密度的７０％～８０％，以利于脱气阶段气体的逸出。因为铝粉和增强体简单吸附水蒸气并氧化，粉末生坯在加热过程中将开释很多的水蒸气、、二氧化碳和气体。因而，生坯在热加工前应通过除气处理，防止制品中呈现气泡和裂纹；除气温度一般应等于或许稍高于随后的热压、热加工变形和热处理温度，以防止压块中残存的水和气体形成材料中产生气泡和分层。可是假如温度过高，铝合金中其它一些元素或许呈现烧损，还会使合金中起强化效果的金属间化合物集合、粗化，下降材料的功能。 三．固化。 在粉末除气后，对其进行细密化处理，即烧结、热压、热等静压及热揉捏松懈的粉末或预压的粉末。在保证低本钱和高生产率的情况下，通过单轴冷揉捏成坯，通过除气后，以必定速率升至必定的温度，并依照必定的揉捏比进行热揉捏，再进行后期的热处理，得到终究的材料。这种将粉末冶金与后续细密化处理（如揉捏、轧制等）结合起来的粉末成形工艺，使粉末可以在短时高温、高压效果下发作塑性变形，进而完成粉末颗粒间的结合，这种工艺在现在粉末冶金法制备铝基复合材料的研讨中运用较多。与惯例的粉末冶金法比较，揉捏过程中粉末颗粒除遭到三向压应力外，沿揉捏方向还接受巨大的剪切力，其表面的氧化膜破碎后进一步增强了相邻粉末颗粒间的结合强度，安排结构细微均匀且成分偏析少，增强体颗粒无显着聚会，有利于其在基体中的散布，此外这种办法无需烧结，减少了制备工序，下降了本钱。比较高本钱的热等静压工艺，粉末热揉捏工艺归纳优势更为显着，可直接得到物理和力学功能优异的材料。
红铜对人体的危害
2019-05-27 10:11:36
铜是生命所必需的微量元素之一，正常人体中含铜量约为100—150 mg。人体中铜大都存在于和中枢神经系统，对 人体造血，细胞成长、某些酶的活动及内分泌腺功用有重要效果，但摄入过量，则会影响消化系统，引起腹痛、吐逆。人的口服致死量约为10克。 铜对低一级生物和农作物毒性较大，其质量浓度达0.1—0.2mg／L即可使鱼类致死，与锌共存时毒功能够添加，对贝类水生生物毒性更大，一般水产用水要求铜的质量浓度在0．0lmg/L以下。关于农作物，铜是重金属中毒性最高者，植物吸收铜离子后，固定于根部皮层，影响营养吸收。灌溉水中含铜较高时，即在土壤和作物中堆集，可使农作物枯死。铜对水体自净效果有较严峻的影响，当其质量浓度为0.001mg／L时，即有细微抑制效果，质量浓度为0.0lmg／L时，有显着抑制效果。
关于陶瓷基复合材料界面问题的探讨
2019-03-07 09:03:45
陶瓷基复合材料中两相(增强体与基体)的界面是一个表面，通常情况下，复合材料中的界面面积很大，并且增强体与基体组成的界面没有到达热力学平衡。界面的分类(依据不同功能要求)从晶体学视点看，界面有共格、半共格和非共格三种。无反响层界面增强相与基体直接结合构成原子键共格界面和半共格界面，有时构成非晶格界面。长处：界面结合强度高，进步复合材料强度。中间反响层界面存在于增韧相与基体之间，并将两者结合。长处：界面层一般都是低熔点共晶相，因而它有利于复合材料的细密化，这种界面增韧相与基体无固定的取向联系。界面的特征陶瓷基复合材料往往在高温下制备，因为增强体与基体的原子分散，在界面上更简单构成固溶体和化合物。此刻其界面是具有必定厚度的反响区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。因添加纤维的横截面多为圆形，故界面反响层常为空心圆筒状，其厚度能够操控。榜首临界厚度：当反响层到达某一厚度时，复合材料的抗张强度开端下降，此刻反响层的厚度。第二临界厚度：假如反响层厚度持续增大，材料强度也随之下降，直至达某一强度时不再下降，此刻反响层的厚度。下面咱们就以氮化硅陶瓷为例，看看不同界面的特征。碳纤维增韧氮化硅成型工艺对界面结构的影响：①无压烧结工艺：C与Si间反响严峻，SEM可观察到十分粗糙的纤维表面，纤维周围存在空地;②高温等静压工艺：压力和温度较低，使得反响遭到按捺，界面上不发作反响，无裂纹或空地，是比较抱负的物理结合。SiC晶须增韧氮化硅反响烧结、无压烧结或高温等静压工艺可取得面反响的复合材料：①反响烧结、无压烧结：跟着SiC晶须含量添加，材料密度下降，导致强度下降;②高温等静压工艺：不呈现上述情况。陶瓷基复合材料界面的粘结两相界面的粘结(粘接、粘合或粘着等)办法有多种，如静电粘结、机械效果粘结、滋润粘结、反响粘结等。关于陶瓷基复合材料来讲，界面的粘结方式主要有两种：机械粘结和化学粘结。机械粘结：因为基体的缩短率较大，冷却缩短后基体将增强相包裹发作压应力。经过浸透、高温分散等基体进入或浸入增强纤维的表面而构成机械结合。机械粘结为低能量弱粘结，其界面强度较化学粘结低。化学粘结：经过原子或分子的分散在界面上构成了固溶体或化合物，即为化学粘结。界面的效果图1 界面强弱对材料的影响陶瓷基复合材料的界面应满意：强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度;弱到足以沿界面发作横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。因而，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度。强的界面粘结往往导致脆性损坏，裂纹在复合材料的任一部位构成并敏捷分散至复合材料的横截面，导致平面开裂。这是因为纤维的弹性模量不是大大高于基体，因而在开裂进程中，强界面结合不发作额定的能量消耗。若界面结合较弱，当基体中的裂纹扩展至纤维时，将导致界面脱粘，发作裂纹偏转、裂纹搭桥、纤维开裂以至于最终纤维拔出。所有这些进程都要吸收能量，然后进步复合材料的开裂韧性。为了到达弱界面，常常将颗粒、晶须或纤维表面镀一层化合物或碳等易被剪切开裂的物质，然后构成界面相。界面的改进为了取得最佳界面结合强度，期望避免界面化学反响或尽量下降界面的化学反响程度和规模。实践傍边除挑选增强剂和基体在制备和材料执役期间能构成热动力学安稳的界面外，就是纤维表面涂层处理。图2 纤维表面涂层对材料的影响(a：无纤维涂层;b和c：有纤维涂层)
纤维表面涂层处理对纤维可起到维护效果，纤维表面双层涂层处理是最常用的办法。其间，里边的涂层可到达键接及滑移的要求，而外部涂层在较高温度下避免了纤维机械功能的降解。
先进的超轻复合材料-铝碳化硅陶瓷复合材料
2019-03-11 13:46:31
1.铝碳化硅陶瓷复合材料概述 铝碳化硅陶瓷复合材料 铝碳化硅陶瓷颗粒增强复合材料是金属和陶瓷的复合材料。与传统的金属材料比较，颗粒增强铝基复合材料不只兼有金属的高塑性、高韧性和增强颗粒的高模量、高硬度，一同具有各向同性，是运用远景很广的材料。碳化硅颗粒增强铝基复合材料可用来制作卫星及航空结构材料，如卫星支架、结构连接件、管材、各种型材、翼、制导元件;制作飞机零部件等，开展这种材料具有重要的战略意义。 2.铝碳化硅复合材料的特性 碳化硅颗粒增强铝基复合材料碳化硅和颗粒状的铝复合而成，其间碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(出产绿色碳化硅时需求加食盐)等质料在电阻炉内经高温训练而成，再和增强颗粒铝复合而成。 增强颗粒铝在基体中的散布情况直接影响到铝基复合材料的概括功用,能否使增强颗粒均匀松散在熔液中是能否成功制备铝基复合资料的要害,也是制备颗粒增强铝基复合资料的难点地址。纳米碳化硅颗粒散布的均匀与否与颗粒的大小、颗粒的密度、添加颗粒的体积分数、熔体的粘度、搅拌的办法和搅拌的速度等要素有关。 3.铝碳化硅复合材料利益 铝基复合材料具有高导热、密度小、本钱低，一级概括优势，是金属基材猜中的重要品类，在国际国内规划内有广泛研讨并运用于工业化出产。铝基复合材料包含纤维增强和颗粒增强两大类。其间颗粒增强铝基复合材料本钱低、功用安稳且易完结规划出产，变成铝基复合材料研讨和运用的抢手方向。以铝合金为基体的复合材料有铝碳化硅和硅铝等，广泛运用于航空航天、电子信息、壳体封装和现代交通等广泛领域。 铝碳化硅是以铝合金作基体，碳化硅颗粒为增强体的颗粒增强金属基复合材料，融合了碳化硅陶瓷和金属铝的不一样优势，是第三代微电子封装材料产品，具有高导热、高刚度、低密度、适合的膨胀系数等特征，能有用进步电子器件的封装热管理能力。一同以其耐腐蚀、可加工功用好和易回收的优势，铝碳化硅运用于工业规划化出产可下降本钱，在军用和民用领域得到推广。与传统材料比照，颗粒增强金属基复合材料不只兼有金属的高耐性、高塑性利益和增强颗粒的高硬度、高模量利益，并且材料各向同性，可选用传统的金属加工技术进行加工，因此备受我们重视。 4.铝碳化硅复合材料制备工艺 粉末冶金法 粉末冶金法具有一些共同的利益，如可任意调理增强相的体积分数(最高可达70%)，较精确地操控成分比，且其增强颗粒的粒径在纳米范围内可调。此外，粉末冶金工艺的烧结温度较低，可有用减轻增强体与基体间的有害界面反响，制得的复合材料具有杰出的力学功能。近年来，进一步开宣布机械合金化-粉末冶金法。该法制备的复合材料，其增强体颗粒散布均匀，粒度在纳米至微米范围内可调，增强相的体积分数可高达70%，与基体的界面结合杰出，所制备的复合材料力学功能优异。美国DWA公司选用机械合金化-粉末冶金法出产了碳化硅颗粒增强铝基复合材料，已将其运用于轿车、飞机、航天器等。 压力铸造法 此法是将液态或半液态金属基复合材料或金属以必定速度填充压铸模型腔，或增强材料预制体的空地中，在压力效果下使其快速凝结成形而制备出金属基复合材料，包含揉捏铸造法、离心铸造法、气体压力浸透铸造法等。现在，出产运用中运用较多的是揉捏铸造法，其具体办法是：首先把碳化硅颗粒增强相以恰当的粘结剂粘结制成预制块，然后装入铸模，浇入精粹的铝基体金属熔体，并当即加压使熔融的金属熔体浸渗到预制块中，凝结之后即得碳化硅颗粒增强铝基复合材料。压力铸造法的首要利益是：可大批量制作颗粒增强铝基复合材料的零部件，成本低;浸渗时熔体与增强材料在高温下触摸时间短，避免了界面反响产品对复合材料的晦气影响;高压效果促进了熔体对增强材料的潮湿，增强材料无需进行表面预处理;所制备材料的安排细密，无气孔。 喷发堆积法 此法是将液态金属在高压下雾化，并在其流出时将增强颗粒喷发入金属液中，两相混合的雾化液体随后在容器中堆积成形。喷发堆积法选用不同形状的基体和不同的基体运动方法可获得管坯、圆柱坯、带坯等不同产品。此法的利益是可直接由液态金属雾化和堆积构成具有快速凝结安排和功能特征及必定形状的坯件;确保了增强颗粒在基体中的散布均匀性;冷却速度很快，避免了增强颗粒与金属基体之间的界面反响;对界面的潮湿性要求不高，晶粒非常细微。
新型复合材料的针线——碳纳米管
2019-01-04 17:20:24
[导读] 以碳纳米管“针”，对复合材料进行“穿针引线”可以实现复合材料层间的良好结合，与现有复合材料相比，经碳纳米管“缝合”的复合材料强度可提升30%，在断裂前能承受更大的作用力，这项技术的运用，提升了当前复合材料的综合性，对拓宽其在航空结构中的应用将起到很大的推动作用！中国粉体网讯 麻省理工学院航天工程师设计了碳纳米管“针”，它可以“穿针引线”使复合材料层间实现良好结合，从而有助于制造出质量更轻、抗损伤性能更强的航天飞机。 目前，空客和波音公司最新的载人航天飞机机身主要是由先进的复合材料构成的，譬如用质量极轻且使用性能优异的碳纤维增强塑料代替飞机的铝基材料，可以使其重量减轻约20%。复合材料在飞机上的主要应用优势就在于通过减轻重量以节省燃油消耗。 但是复合材料抗损伤性能较差：与铝基材料在断裂前可以承受较大的冲击相比，复合材料的多层结构在较小冲击下就很容易发生断裂。低抗损伤性能已经成为复合材料的阿喀琉斯之踵。 近日，麻省理工学院(MIT)的航空工程师探索出一种粘结复合材料层的新方法，从而使其强度更高，耐损伤性能更好。 研究人员使用碳纳米管将每一层复合材料“栓”在一起。碳纳米管中的薄卷状碳原子虽然“身形”微小，但是强度极高。他们在类胶状聚合物基体中嵌入碳纳米管“森林”，然后“压紧”碳纤维复合材料层间的聚合物基体。纳米管就像是细小的竖直排列的“针”，充当多层结构的支架，在层间部位进行“缝合”。 测试结果表明，与现有复合材料相比，经碳纳米管“缝合”的复合材料强度可提升30%，在断裂前能承受更大的作用力。 此项研究的首席研究员，MIT航空航天系博士后RobertoGuzman认为，性能提升的复合材料可以用于制造强度更高、质量更轻的飞机零部件，尤其是那些使用传统复合材料制造的因包含螺钉或螺栓而容易断裂的零部件。 “尺寸是关键” 当前，复合材料由层状的横向碳纤维组成，通过聚合物胶粘接。此项研究参与者，MIT航空航天系教授Wardle指出，“层间结合处是非常薄弱、存在问题的区域”。许多学者尝试采用“Z钉扎”方法固定或通过“三维编制”复合材料层的碳纤维束以增强结合性能，类似于钉子和针线所起的作用。 Wardle表示，“钉子或针的尺寸是碳纤维的几千倍，所以如果在碳纤维中加入这些物质，将会破坏成千上万的碳纤维，对复合材料本身的损伤不言而喻。”而碳纳米管直径约10纳米，只有碳纤维尺寸的百万分之一。 “尺寸的问题很重要，正因为纳米管进入复合材料内部而不会影响大尺寸的碳纤维，才使复合材料的性能得以保持，”Wardle解释说，“碳纳米管拥有的表面积达到碳纤维的1000倍，这使它们与聚合物基体结合良好。” Guzman和Wardle采用的新技术即可使碳纳米管嵌入聚合物胶内部。首先，他们获得竖直排列的碳纳米管森林，然后将纳米森林置于粘稠的、未固化的复合层之间，重复此过程一直到16层(典型的复合材料叠层结构)，实现碳纳米管在层与层之间粘结。 Wardle认为，“随着大多数新型飞机的重量超过一半来自于复合材料，提升当前复合材料的综合性能对拓宽其在航空结构中的应用将起到很大的推动作用。”
石墨烯是纳米材料吗
