グラフェン強化アルミニウム基複合材料の微細構造解析、トライボロジー相関特性および強化機構

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9561 (2022) この記事を引用

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この論文では、高エネルギーボールミリングによってグラフェン強化アルミニウムマトリックス複合材料を調製することに成功しました。結果は、混合粉末中にグラフェンの凝集が見つからないことを示しています。高エネルギーボールミリングと粉末冶金によって調製された複雑な複合材料には約 4 ～ 5 層のグラフェンがあり、単層グラフェンの厚さは約 0.334 nm です。最終的な実験結果では、微細構造内に化合物 AlC3 が形成されていることが確認され、その回折スポット指数は (\(\overline{2 }\)00), (\(\overline{1 }\)1\(\overline{1 }\)) と (11\(\overline{1 }\))。最大摩擦係数は0.126、平均摩擦係数は0.027であり、耐摩耗性、耐食性に優れています。さらに、材料の摩擦腐食メカニズムを詳しく分析します。強化機構解析の結果、この実験で設計した材料の主な強化機構は熱不整合強化であることがわかりました。修正モデルによって計算された材料の降伏強度は 227.75 MPa であると結論付けることができます。この値は、一般的なせん断ラグモデルの計算値（237.68MPa）よりも若干低い値です。ただし、実際の材料の降伏強度値 (211 MPa) に近くなります。

アルミニウム基複合材料は、その優れた特性により、航空宇宙、自動車、軍事、電子パッケージングなどの多くの分野で広く使用されています1、2。この種の金属複合材料の製造技術は、撹拌鋳造、加圧浸出、摩擦撹拌、粉末冶金など、徐々に成熟してきました3。アルミニウム母材複合材料の強化アプローチは、何らかの方法で母材に不連続硬質相を追加することです。一般的な強化相には、セラミック粒子、ウィスカー、短繊維などが含まれます4。アルミニウム母材複合材料の特性を改善するための硬質相の添加は、ますます注目を集めています。したがって、硬質相によって改良されたアルミニウム母材複合材料を研究することは非常に重要です。

技術の発展に伴い、より多くの分野の材料のニーズを満たすために、新しい強化段階が常に模索されています。さらに、アルミニウム母材複合材を強化する多次元加工技術により、ある種の強化が必要な場合にも対応できます。 2004 年以来、英国マンチェスター大学の科学者ガイムとノボセロフは、マイクロメカニカルストリッピングを使用してグラファイトからグラフェンを分離し、その電子特性を説明することに成功しました。科学技術の発展に伴い、グラフェンを愛用する研究者も増え、その応用分野も拡大しています。これは主に、グラフェンの優れた熱電特性と、130 GPa の引張強度によるものです。ヤング率は 1 TPa であり、耐変形性に優れています 6,7。したがって、グラフェンは科学界で幅広い注目を集めています。グラフェンは金属材料だけでなく非金属材料にも添加されることがわかった。材料の特性に重要な影響を与えるため、材料特性の研究と改善に広く使用されています。グラフェンは材料分野でますます重要な役割を果たしています。

ただし、グラフェンの用途にはいくつかの制限があります。グラフェンは比表面積が最大 2630 cm2/g8 と大きいため、凝集しやすくなります。グラフェンがマトリックス内に均一に分布していないと、材料の特性に悪影響を及ぼします。この目的を達成するために、問題を改善し、グラフェンの均一な分散を達成するために、さまざまなアプローチが試みられてきました。 Wangら9は、酸化グラフェンナノシートとポリビニルアルコールを混合してアルミニウムフレーク粉末を改良し、マトリックス中にグラフェンを効果的に分散させた。複合材料は粉末冶金と熱間押出によって首尾よく製造されます。 Xin Gaoら10は、異なる電荷の相互引力により、酸化アルミニウム粉末上にグラフェンシートを均一に吸着させることに成功した。均一に分散したグラフェンで強化されたアルミニウム母材複合材料を粉末冶金によって調製しました。いくつかの緊急の問題や欠陥が依然としてその開発と応用を制限しています。例えば、製品の軽量化と材料の耐高温性、耐噛み込み性、耐摩耗性を同時に確保します。

ここで、グラフェン強化アルミニウム母材複合材料の摩擦腐食に関する研究は比較的少ないという事実を強調することが特に重要です。研究のほとんどは、アルミニウム基複合材料の摩擦挙動に焦点を当てています。例えば、Manivannan et al.11 は、アルミニウム合金 Al6061 とそのナノコンポジットの摩擦特性を、さまざまな負荷摩擦を通して比較しました。 Harun Mindivan et al.12 は、炭化ケイ素で強化されたさまざまな種類のアルミニウム母材複合材の摩擦特性を研究しました。よく知られているように、金属材料は摩擦環境下では腐食を伴うことがよくあります。腐食摩擦の研究のために、Negin Ashraf らによって調製された複合強化材料 Al-30Fe3O4-20SiC 13 は、マトリックスの腐食保護効率を 99% 以上に向上させました。 Toptan ら 14 は、0.05 M NaCl 溶液中で、Al-Si-Cu-Mg 合金および B4C 粒子で強化されたその複合材料の腐食および摩擦腐食挙動を研究しました。マトリックス材料は主に B4C 粒子上で滑り、したがってマトリックス合金を重大な摩耗損傷から保護することがわかりました。さらに、グラフェン強化アルミニウムマトリックス複合材料の強化メカニズムと微細構造をさらに研究する必要があります。

この研究では、グラフェン強化アルミニウムマトリックス複合材料 (GAMC) が、高エネルギーボールミリング (HEBM) と粉末冶金によって調製されました。 GAMC の硬度と摩擦腐食特性がテストされました。グラフェンアルミニウムマトリックス複合材料の摩擦腐食を詳細に分析します。以前の研究に基づいて、材料の強化メカニズムと材料の特性に影響を与える主な要因を示します。マトリックスの形態と粒界におけるグラフェンの分布を注意深く観察し、アルミニウムマトリックス複合材料に対するグラフェンの強化効果を総合的に考慮します。

この研究では、Al 粉末 (純度: 99%) を天津智源化学試薬有限公司から購入しました。グラフェン粉末 (純度: 96%) は青島華高グラフェン技術有限公司から購入しました。まず、均一に混合したグラフェンとアルミニウムの粉末を用意しました。ボール粉末比 10:1 で高エネルギーボールミル粉砕によって調製されます。グラフェンの質量は0.5%を占め、残りはアルミニウム粉末です。粉砕媒体はステンレス鋼のボールでした。 HEBM は、遊星ボールミルで 150 rpm の速度で 2 時間実行されました。第 2 ステップでは、1.5 g の混合粉末を冷間静水圧プレスによって固めました。直径１５ｍｍ、厚さ３ｍｍのプリフォームを７５０ＭＰａの圧力で５分間成形した。最後に、プリフォームは真空炉内で 4 °C/min の加熱速度で 600 °C まで焼結され、保持時間は 4 時間です。保温後、サンプルを炉で冷却します。

材料の耐摩擦性と耐腐食性は、電気化学的摩擦および摩耗結合試験システムによって試験されます。開回路電位 (OCP) は、作用電極と参照電極の間の相対値です。参照電極の変化や時間により変化します。電極界面の反応が定常状態に達すると、OCP も安定する傾向があります。試験システムは、補助電極として高純度グラファイト、作用電極として複合材料、参照電極として飽和カロメル電極 (SCE) を使用した 3 電極システムでした。摩擦長は５ｍｍ、周波数は０．２Ｈｚである。初荷重は10Nで、重りにより荷重を制御します。試験時間は30分でした。 OCP は、滑走前に 5 分間記録され、中間滑走テストでは 20 分間記録されました。滑りの終わりに、OCP 記録が 5 分間続きました。相手材には直径6mmのアルミナボールが使用可能です。サンプルは直径 15 mm、厚さ 3 mm の円柱です。実験前に金属組織研磨を行った。

粉末および焼結サンプルの形態を特徴付けるために、FEI Quanta FEG 250 走査型電子顕微鏡 (SEM) を 20 kV で使用して微細構造分析を実行しました。マトリックスおよび炭化物または酸化物の相組成は、エネルギー分散分光法 (EDS) および X 線回折法によって決定されます。 GAMC の微細構造は、300 kV の加速電圧で動作する高解像度透過型電子顕微鏡 (HRTEM、JEOL 2000) によって観察されました。薄箔サンプルは、イオンビーム 6 ミリング (Gatan、モデル 600、オックスフォード、英国) によって慎重に準備されました。 MFT-4000 多機能材料表面性能試験機は、GAMC の摩擦腐食を試験するために使用されます。

Al基複合材料の引張強度を概算するために、微小硬度計（HV-1000）によりビッカース硬度を測定しました。サンプル表面の酸化物を研磨機で除去し、表面を滑らかにしました。ビッカース硬さ試験機のマイクロメータ接眼レンズを通してサンプルを400倍の倍率で観察し、試験および荷重を加える点を選択します。荷重は0.98N、荷重時間は10秒です。

粉砕後の混合粉末をSEM観察したところ、図1に示すとおりでした。図中のアルミニウム粒子のほとんどは球形または楕円形であり、ボール粉砕中にアルミニウム粉の明らかな粗大化は見られません。結果は、混合粉末中にグラフェンの凝集が見つからないことを示しています。高倍率では、図1bの赤い矢印で示すように、粒子表面に埋め込まれ浮遊したグラフェンが観察されました。高エネルギーボール粉砕プロセス中に、ステンレスボールのせん断応力によりグラフェンがアルミニウム粉末粒子に埋め込まれ、グラフェンの凝集が効果的に防止されると考えられます。

粉砕後の混合粉末の SEM 観察 (a) 倍率が低い。 (b) 高倍数。

さらに、図2に示すように、調製したGAMCの表面形態が観察されます。図2aによると、低倍率での表面形態は、粒子サイズが比較的均一であり、異常に粗大な粒子がないことを示唆しています。高エネルギーボール研磨と粉末冶金により、材料の表面に空洞や微小亀裂は見つかりません。図2bに示すように、高倍数での表面形態と界面はしっかりと結合しています。一方、エネルギー分散型分光分析 (EDS) は、選択された場所の元素と内容を分析するために使用されます。点 A と点 B はそれぞれ結晶粒と結晶粒界を表します。それらの要素の分布と内容は、画像の右側にはっきりと表示されます。粒子 A には Al と C の含有量のみが存在することがわかり、粒子の表面および内部には酸素が存在しないことがわかります。このような状況は、アルミニウムの酸化がないことを意味します。しかし、粒界点 B の酸素含有量は 3.72% と検出され、アルミナが形成される可能性が高いことを示しています。パワープレス工程ではパウダーギャップ内の空気が排出されにくいため、酸素が存在します。

調製された GAMC の表面形態 (a) 低い倍数。 (b) 高倍数。

図 3 は、焼結サンプルの X 線回折を示しています。サンプルの回折ピークは 38°、44°、65°、78°、および 82°付近にあり、大きな偏差はありません。対応する結晶面は (111)、(200)、(220)、(311)、(222) です。回折ピークがないことは、グラフェンの凝集がないことを示しています。 GAMC は、高エネルギーボールミル粉砕と粉末冶金によって首尾よく調製されます。同時に、アルミナのピークが表示されなくなり、次の実験に役立ちます。

焼結サンプルの X 線回折。

図 4 は、アルミニウム基複合材料の代表的な微細構造を示しています。図4aによると、灰色の領域はマトリックスアルミニウムであり、粒界がはっきりと見えます。粒界にグラフェンが観察できます。マトリックス内の一部の黒色物質は、製造プロセスにおけるマトリックスとグラフェンまたは酸素の間の反応の生成物である可能性があります。その組成を決定するために、円形領域の電子回折が行われます。選択された電子回折スポットを取得し、d 値を測定します。次に、標準カードと比較します。結果は、回折スポットが AlC3 の結晶面に対応していることを示しています: (\(\overline{2 }\)00)、(\(\overline{1 }\)1\(\overline{1 }\)) (11\(\overline{1 }\))、図 4b に示すように。図 4c は、AlC3 結晶ユニットの [110] 結晶バンド軸の方向を明確に示しています。さらに、図 4d) から、(\(\overline{1 }\)1\(\overline{1 }\)) と (11 \(\overline{1 }\)) の位置は明らかです。赤道面の結晶面は、立体投影法を用いることでより直感的に実現できます。それらはそれぞれ中心軸の左側と右側に位置します。注意深く比較および分析した結果、校正された結晶指数は一貫性があり、黒色物質が AlC3 であることが証明されました。既存の研究では、ほとんどの炭素材料がアルミニウム母材複合材料の強化に使用される場合、AlC3 は容易に生成されます 15、16、17。グラフェンとアルミニウムの反応過程を熱力学の観点から解析できます。化学反応式と相対自由エネルギー式は次のとおりです18。

アルミニウム基複合材料の代表的な微細構造 (a) 微細構造形態。 (b) AlC3 の回折パターン。 (c) [011] 方向の結晶ベルト軸。 (d) [011] 方向の立体投影。

ここで、\(\Delta {\mathrm{G}}^{0}\) は炭素 1 モルあたりの標準生成自由エネルギーを指し、\(\mathrm{a}\) は活性を表し、以下の原子分率で表されます。理想的な条件18. R は理想気体定数、T は絶対温度です。同様に、上記の形式の AlC3 の化学反応と相対自由エネルギーは次のように表すことができます。

式を比較することにより、 (1) と (2) では、両方の自由エネルギーが 1 モルあたりの C の反応速度に従って計算されることがわかります。したがって、この研究では製品の自由エネルギー計算プロセスは考慮されておらず、2 つの式間の個々の値の違いのみが観察されます。炭素 1 モルあたり、\(\Delta {\mathrm{G}}_{{\mathrm{AlC}}_{3}}^{0}\) は \(\Delta {\mathrm{G} }_{{\mathrm{Al}}_{4}{\mathrm{C}}_{3}}^{0}\) 。 R と T は、同じ状況下では一定であると考えることができます。次に、自由エネルギー方程式の指数関数の大きさを比較できます。 \({\text{a}}_{\text{Al}}\) は原子分率によって決まるため、\({\text{a}}_{\text{Al}}\) は以下である必要があります1. (1) と (2) を代入し、\({\text{ln}}\frac{{\text{a}}_{{\text{Al}}_{4}{{\text{C }}}_{3}}}{{\left({\text{a}}_{\text{Al}}\right)}^{4}}\) は \({\text{ ln}}\frac{{\text{a}}_{{\text{Al}}{\text{C}}_{3}}}{{\text{a}}_{\text{Al} }}\)。したがって、AlC3 の自由エネルギーは Al4C3 の自由エネルギーよりも小さいことが知られています。さらに、炭化物の形成は炭素材料の構造的完全性に関連しています19。ボールミリング中、グラフェンの衝撃により材料中に AlC3 が形成される可能性が高く、グラフェンの結合が切断される傾向があります。前述したように、ボールミル粉砕では炭化物が生成しにくく、生成してもその含有量は極めて少ない。これが、XRD で炭化物のピークが検出されない理由です。

図 4 は、グラフェン粉末と粒界の分布に明らかな凝集が見られないことを示しており、高エネルギーボールミルが良好な分散の役割を果たしていることを示しています。粒界のグラフェンシートは粒の膨張を効果的に抑制し、粒の成長を妨げます。一方、グラフェンはそのユニークな構造と優れた機械的特性により、マトリックスから界面への荷重伝達を実現し、材料の機械的特性を効果的に向上させることができます10。前のセクションで述べたように、グラフェンは摩擦エッチング中にペイロードが移動し、マトリックス表面の破壊速度を遅くします。

微細な微細構造をさらに研究するために、粒界での高解像度透過率を図 5 に示します。層数が少ないグラフェンの分布がはっきりと見えます。高エネルギーボールミル粉砕と粉末冶金によって調製された GAMC には、約 4 ～ 5 層のグラフェンが含まれています。測定によると、単層グラフェンの厚さは約0.334 nmです。ステンレス鋼の粉砕ボールのせん断応力により、グラフェンの層が少なくなります。図5ではグラフェンの凝集や多層グラフェンは観察されません。白い点線はグラフェンシートの分布を示しています。グラフェンの湾曲した分布は、粒界の方向によく適応しています。グラフェンの配向と界面傾向の高度な一致により、グラフェンとマトリックス間の強力な界面結合が促進されるだけでなく、粒子の成長も効果的に抑制されます。

この素材のグラフェンの高解像度透過。

アルミニウム基複合材料の製造および改良のプロセスにおいて、材料の耐摩耗性と耐食性は材料の特性を特徴付ける重要な指標です。ベアリング、切削工具、掘削装置、特定の精密構造物など、特定の金属材料は使用中の摩擦や摩耗を避けることができません20、21、22。一方で、これらの摩擦はスムーズな作業に役立ちます。これらは金属材料の耐用年数、生産コスト、資源利用に影響を与えます14。ほとんどの金属材料の作業環境は、湿った空気にさらされたり、液体と直接接触したりします。空気と液体の流れにより、材料に摩擦が生じるだけでなく、材料に継続的な腐食が発生します。摩擦と摩耗により、金属表面には常に新しい接触面が生成され、接触面は大気や液体による腐食に巻き込まれ、摩耗プロセスが悪化します。この相乗効果により、金属材料の表面損傷率が増加し、金属材料の耐用年数に重大な影響を与えます22。

したがって、材料の摩擦および腐食特性を研究するために、電気化学的摩擦および摩耗結合試験システムが使用されました。 GAMC (グラフェンが 0.5 wt% を占める) の摩擦腐食プロセスを包括的に分析します。図 6 は、試験中の GAMC の摩擦係数と OCP を示しています。初期段階では摩擦係数は約0.10から約0.11まで増加します。最大摩擦係数は0.126、平均摩擦係数は0.027です。全体として、この材料の摩擦係数は比較的安定しています。

GAMC の経時的な摩擦係数と OCP。

摩擦腐食の模式図を図 7 に示します。腐食環境では、アルミニウム基複合材料は電解液中の酸素と反応し、後続のプロセスに影響を与える酸化膜を形成する傾向があります23。この膜は表面強化層として使用でき、これは千鳥状濃縮の発生源となり、材料の内部応力を増加させます24。初期材料表面の強化層は連続していません。摩擦係数は負荷の影響により上昇する傾向があります。摩擦が続くと、アルミニウム基複合材料の表面に加工硬化が発生し、時間の経過とともに硬化領域が拡大します14。荷重作用により表面の強化が促進され、より多くのエネルギーが蓄積され、摩擦と摩耗にはより大きな荷重が必要になります。一定荷重の条件下では、この実験の摩擦係数は相対的に小さくなり、摩擦係数は0.10以下にまで低下する可能性があります。表面エネルギーが一定レベルまで蓄積すると、腐食が発生しやすくなります25,26。摩擦腐食は材料表面に作用して表面損傷を促進し、次の焼き入れ作業で再び摩擦係数が増加します。一定の荷重がかかった場合、摩擦腐食が繰り返され、時間の経過とともに摩擦係数は若干変動しますが、平均的な摩擦係数は比較的低くなります。

摩擦腐食のメカニズム図。

摩擦腐食は、機械的摩擦と化学的摩擦の共同作用です。摩擦腐食は、機械的摩耗および腐食電気化学エッチングによる劣化として定義されます14。 OCP の変化はこのプロセスの影響を受けます。より高い垂直荷重の下で摩擦エッチングされた表面がより活性化し、その結果、OCPが低下するため、スライドの開始時に電位の大幅な低下が観察されます。このプロセスでは、表面エネルギーと摩擦係数の変化により、プロセス全体を通じて OCP がわずかに変動します。摩擦段階では、平均 CPO は約 - 0.76 V です。摩擦腐食の終わりには、摩擦膜の形成と表面エネルギーの減少により、OCP は上昇する変動を示します。

アルミナボールは表面の摩擦を繰り返すと表面に薄い酸化皮膜が生成し、荷重がかかると応力が集中します。さらに、図 8 に示すように、腐食溶液の作用により、酸化皮膜領域に微小亀裂が発生します。ただし、マトリックスは、高密度の荷重時間下では塑性変形を起こしやすくなります 11。粒界およびその近くのグラフェンは、表面近くの基板に荷重を急速に伝達します27、28。亀裂近傍の塑性変形により亀裂が変形して圧迫され、亀裂が充填されて修復されます。修復された亀裂は電解液がマトリックスに入るのを防ぎ、摩擦腐食が局所的にのみ留まり、腐食プロセスが遅くなり、材料表面の摩擦係数が減少します。 GAMC の往復摩擦は 30 分間で約 20,000 回になります。摩擦データを分析することにより、グラフェン/Al複合材料の摩擦係数とOCPポテンシャルは全体として安定する傾向にあります。 GAMC はプロセス全体で形成されず、この材料が優れた耐摩擦腐食性を備えていることを示しています。グラフェンは粒界に分布しており、マトリックスの荷重伝達と自己修復を促進するため、材料の耐食性と耐摩擦性が向上します。

酸化膜領域に微小亀裂を引き起こす腐食溶液の模式図。

この研究では、純アルミニウムのビッカース硬度は 36 Hv でしたが、GAMC のビッカース硬度は 61.8 Hv で、41.7% 増加しました。相当する引張強さは 211 MPa です。焼結プロセス中、焼結温度が高いと、核生成、粒子成長、原子振幅拡大、原子拡散速度、粒界での塑性流動が促進されます。 4 時間の保持時間により、粒界の原子が原子間力の範囲に入り、粒界の結合度が強化され、複合材料の強度が明らかに向上します。

現在、GAMC の強化メカニズムは主に次のとおりです: 細粒強化 29、熱不整合強化 30、オロワン強化 1、およびせん断遅れ強化 31。本稿では、GAMC の強化効果を以下の強化メカニズムから分析します。

以前の研究に基づくと、GAMC の調製と粒界でのグラフェンの結合は、粒成長を効果的に抑制し、粒界の拡大を妨げることができます。 Hall-Petch29 式は、アルミニウム母材複合材料に対する微粒子強化の強化効果を計算するために使用されます。式は次のとおりです。

ここで、d はアルミニウム母材複合材料の平均粒径、\({\mathrm{d}}_{0}\) は純粋なアルミニウムの粒径です。 Image Pro でスキャン測定すると、d と \({\mathrm{d}}_{0}\) はそれぞれ 5.62 μm と 11.43 μm であることがわかります。 k は強度に対する粒界の影響度の定数です (0.04 \(\mathrm{MPa}/\sqrt{\mathrm{m}}\)32)。

熱不整合の増大は、温度が変化したときの強化材とマトリックスの熱膨張係数の違いによるものです。グラフェンの独特な二次元構造により、この熱的不一致の影響は、グラフェンに垂直な法線方向とマトリックスの間でより明白になります。これにより、強化材とマトリックスの界面に残留熱応力が発生し、高さ転位が発生します。グラフェンの熱膨張係数は 1.1 × 10−6 K−1 であるのに対し、アルミニウムの熱膨張係数は 23 × 10−6 K−1 であり、一桁違います。グラフェンとアルミニウムベースの間の膨張差によって引き起こされる強度は、Arsenault らによって提案されたモデル式を使用して計算されます。33:

ここで、\({\text{G}}_{\text{m}}\) はアルミニウムのせん断弾性率 (2.45 × 104 MPa34) を表し、K は一定成熟度係数 (0.535) を表します。ｂはボッグスベクトル（０．２８６ｎｍ）、ρは転位密度を表す。次の式は密度の計算プロセスを示します。

ここで、ΔT は温度変化 (575 K)、\(\Delta \alpha\) はグラフェンとアルミニウムの熱膨張係数の差です。 \({\text{d}}_{\text{p}}\) はグラフェンの平均表面サイズ、\({\text{f}}_{\text{v}}\) は体積ですグラフェンの割合は次のように表されます。

したがって、オロワン強化は第二段階強化とも呼ばれます。グラフェンは微細な第 2 相としてマトリックス中に分布しており、転位の移動を妨げる役割を果たします。マトリックスに応力が加わると、グラフェンが転位の移動を妨げ、転位が曲がって転位リングを形成し、強度を高める役割を果たします。本稿では以下のモデル36を用いて補強値を計算する。

ここで、\(\lambda\) は粒子間隔 (nm) であり、次の式で表すことができます37:

せん断ラグモデルは、グラフェン強化アルミニウムマトリックス複合材料の強化メカニズムは、外部荷重が界面せん断力によって伝達および分散されることであると提案しました。複合材料に添加されるグラフェンの量とグラフェンのアスペクト/直径比は、複合材料の特性に影響を与えると考えられています31。 GAMC の降伏強度値は、このモデルを使用して計算され、次のように表されます。

ここで、\({\sigma}_{0}\) はマトリックスの降伏強度 (150 MPa1)、s はグラフェンのアスペクト比です。

各強化効果の計算結果を表1に示します。ボール粉砕前のアルミニウム粉末の粒径が大きく、ボール粉砕時間が短いため、アルミニウム粉は十分に粉砕されません。粒径はほとんどがミクロンレベルであり、粒界付近には微量の微粒子が存在するだけです。この条件では、細粒強化の計算値は小さくなり、わずか 9.327 MPa になります。マトリックス内のグラフェンの分布は、熱不整合強化の計算で理想化されます。また、両者の熱膨張係数の違いも明らかです。計算結果は42.25MPaとなり、理想的な値となる傾向にあります。この事例は、理想的な条件下でのグラフェンの強力な効果が非常に大きく、調製プロセスをさらに改善する必要があることを示しています。一般に、グラフェンは補強材として大きな開発価値があります。プロセスの革新と準備の観点からは、グラフェンの効果的な分散と構造的完全性が最優先事項です。

補強メカニズムの信頼性をさらに説明するために、Nardone と Prewo38 によって修正されたせん断ラグモデルを使用して降伏強度が計算されます。 \({{\varphi }}_{\mathrm{c}}\) は、修正されたモデルによって計算された GAMC の降伏強度値を示すために使用されます。すると、修正モデルの式は次のように表すことができます。

関連する値を参照すると、修正モデルによって計算された材料の降伏強度は 227.75 MPa です。この値は、式(9)と比較すると、一般的なせん断ラグモデルの計算値(237.68MPa)より若干低くなります。しかし、これは GAMC の降伏強度値 (211 MPa) に近く、実験結果は計算結果とよく一致しています。

現在の研究では、グラフェン強化アルミニウムマトリックス複合材料を粉末冶金法によって調製することに成功しました。特に、この種の複合材料の典型的な微細構造、摩擦腐食特性、強化メカニズムが詳しく分析されています。興味深く有意義な革新的な結果は次のとおりです。

実験結果によると、高エネルギーボールミリングはグラフェンの凝集を防ぐ効果的な方法です。高エネルギーボールミル粉砕と粉末冶金によって調製された複雑な複合材料は約 4 ～ 5 層のグラフェンを持ち、単層グラフェンの厚さは約 0.334 nm です。最終的な実験結果では、微細構造内に化合物 AlC3 が形成されていることが確認され、その回折スポット指数は (\(\overline{2 }\)00), (\(\overline{1 }\)1\(\overline{1 }\)) と (11\(\overline{1 }\))。

最大摩擦係数は0.126、平均摩擦係数は0.027であり、耐摩耗性、耐食性に優れています。表面の積載量の移動と塑性変形により、耐食性がある程度向上します。得られた結果は、粒界でのグラフェンの分布が効果的な荷重伝達に役割を果たしていることを示しています。

高エネルギーボール粉砕と粉末冶金によって調製された0.5重量％グラフェンで強化されたアルミニウムマトリックス複合材料の硬度は61.8Hvに達し、純アルミニウムと比較して41.7％向上し、強化効果は明らかです。

GAMCの強化メカニズムを解析し、強化効果を計算します。計算プロセスでは、マトリックス内のグラフェンの分布が理想化されます。グラフェンとアルミニウムの熱膨張係数は大きく異なるため、計算による熱不整合強化効果はより重要になります。修正されたモデルによって計算された材料の降伏強度は、実際の値に非常に近くなります。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、リクエストに応じて責任著者から入手できます。

Ma、J.ら。カーボンナノチューブ強化アルミニウム複合材の引張特性: レビュー。カーボン 160、14–44 (2020)。

記事 Google Scholar

チェン、B.ら。アルミニウム母材複合材料のレーザー積層造形における最近の進歩。カー。意見。化学。工学 28、28–35 (2020)。

記事 Google Scholar

Almotairy、SM et al. 新しいミリングルートで加工された高周波焼結Al/SiCナノ複合材料の優れた機械的性能。科学。議員10、1（2020）。

記事 Google Scholar

Alizadeh, M.、Shakery, A. & Salahinejad, E. 交差累積ロールボンディングプロセスにより E ガラス繊維で強化されたアルミニウムマトリックス複合材。 J.合金。コンプ 804、450–456 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

ノボセロフ、KSGAKら。原子的に薄い炭素膜における電界効果。サイエンス 306(5696)、666–699 (2004)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ワン、S.ら。凍結伸張誘起整列による高強度の拡張可能なグラフェンシート。ナット。メーター。 20(5)、624–631 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Jiang, Y. et al. グラフェンナノシート/アルミニウム複合材料の界面誘起歪み硬化。カーボン 146、17–27 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

シャイク、JS 他スーパーキャパシタの分野におけるグラフェンベースのエアロゲルの実装。ナノテクノロジー 32(36)、362001 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Wang、J.ら。アルミニウムマトリックス複合材料のグラフェンナノシートで補強。 Scr. メーター。 66(8)、594–597 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Gao, X. et al. 均一に分散したグラフェン強化アルミニウムマトリックス複合材料の調製と引張特性。メーター。デス。 94、54–60 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

マニバンナン、I. et al. 炭化ケイ素強化アルミニウムマトリックスナノコンポジットの摩擦学的挙動および表面挙動。サーフィン。インターフェース 8、127–136 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Mindivan, H.、Sabri Kayali, E.、Cimenoglu, H. 圧搾鋳造アルミニウム母材複合材料のトライボロジー挙動。 265(5–6)、645–654 (2008) を着用。

記事 CAS Google Scholar

アシュラフィ、N.ら。粉末冶金法によって製造された最適化されたFe3O4-SiC強化アルミニウムマトリックスハイブリッドナノフィラー複合材の微細構造、トライボロジーおよび腐食特性。資料13、18（2020）。

Google スカラー

Toptan、F.ら。 0.05M NaCl 溶液中の Al-Si-Cu-Mg 合金および B4C 粒子で強化されたその複合材料の腐食および摩擦腐食挙動。 306(1–2)、27–35 (2013) を着用。

記事 CAS Google Scholar

Foster, LM、Long, G. & Hunter, MS 酸化アルミニウムと炭素の間の反応、Al2O3-Al4C3 状態図。混雑する。セラム。社会 39(1)、1–11 (2010)。

記事 Google Scholar

リー、JCら。 SiCp/Al 複合材料中の Al4C3 の形成を抑制するための Si 含有量の予測。アクタ・メーター。 46(5)、1771–1780 (1998)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Robles Hernandez 氏、FC およびカルデロン、HA グラファイトまたはフラーレンで強化されたナノ構造 Al/Al4C3 複合材は、機械的ミリングと放電プラズマ焼結によって製造されます。メーター。化学。物理学。 132(2–3)、815–822 (2012)。

記事 Google Scholar

バクシ、SR 他。カーボンナノチューブ強化アルミニウムシリコン複合材の界面：熱力学解析と実験的検証。 J.合金。コンプ 481(1–2)、207–213 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

チェン、Ｘら。構造化されたカーボンナノチューブの影響を受けたAlマトリックス複合材料中の配向関係に依存する界面炭化物の形成。アクタ・メーター。 228、117758 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Erturk, AT et al. 異なるドリルビットを使用した多層ポリマー複合ベアリングの加工挙動。コンポ。工学部B 176、107318 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Lu, P. & Wood, RJK 機械的用途における表面テクスチャリングのトライボロジー性能 - レビュー。サーフィン。トポグル。メトロル。提案 8(4)、043001 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Basak、AK et al. 熱硬化性鋼溶接継手の化学反応性を電気化学インピーダンス分光法で調査しました。エレクトロキム。 Acta 53(25)、7575–7582 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

ヤズディ、R.ら。模擬体液中の Ti6Al4V 酸素拡散層における摩擦膜形成のメカニズム。Ｊ．Ｍｅｃｈ．振る舞い。バイオメッド。メーター。 77、660–667 (2017)。

記事 Google Scholar

ペレット、J.ら。硫酸中でのステンレス鋼の摩擦腐食中の表面下の変形の EBSD、SEM、および FIB の特性評価。 269(5–6)、383–393 (2010) を着用してください。

記事 CAS Google Scholar

Hajizadeh, K.、Ghobadi Alamdari, S.、Eghbali, B. 激しい塑性変形によって加工された超微粒チタンの蓄積エネルギーと再結晶動力学。 Physica B 417、33–38 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Xu, J. & Kata, K. 水中で滑るセラミックスのトライボケミカル層の形成と低摩擦に対するその役割。 245(1–2)、61–75 (2000) を着用します。

記事 CAS Google Scholar

Kok, YN、Akid, R. & Hovsepian, PE 修正された走査基準電極技術を使用した、ステンレス鋼 (SS) および PVD コーティングされた SS の摩擦腐食試験。 259(7)、1472–1481 (2005) を着用してください。

記事 CAS Google Scholar

Shin, SE et al. 数層のグラフェン/アルミニウム複合材料の強化挙動。カーボン 82、143–151 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

ハンセン、N. ホールとペッチの関係と境界強化。 Scr. メーター。 51(8)、801–806 (2004)。

記事 CAS Google Scholar

Vogt、R.ら。熱膨張の不一致がないため、ナノ構造金属マトリックス複合材料の強化が可能です。 Scr. メーター。 61(11)、1052–1055 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Li、CH 紙やその他の繊維材料の弾性と強度。 Br. Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 3(3)、72 (2002)。

MathSciNet CAS Google Scholar

Zhang、H.ら。ボールミル粉砕と熱間押出によって製造されたグラフェンナノプレートを備えた Al5083 合金の機械的特性が向上しました。メーター。科学。工学 A 658、8–15 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Arsenault、RJ、Shi、NJ、Me、E。熱膨張係数の違いによる転位の生成。メーター。科学。工学 81(1-2)、175-187 (1986)。

記事 CAS Google Scholar

Zhao、L.ら。マイクロピラー圧縮を使用して研究されたグラフェン-Alナノ積層複合材料のひずみ速度依存の変形機構。内部。Ｊ．Ｐｌａｓｔ． 1、128–140 (2018)。

記事 Google Scholar

チェン、G.ら。粒子強化アルミニウムマトリックス複合材料の強化分布の均一性に基づく強化メカニズム。トランス。非鉄金属協会中国 28(12)、2395–2400 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang, Z. & Chen, DL 粒子強化金属マトリックスナノ複合材料におけるオロワン強化効果の貢献。メーター。科学。工学 A 483–484、148–152 (2008)。

記事 Google Scholar

Martin、「粒子硬化合金の JW Micromechanisms」（ケンブリッジ大学出版局、1980 年）。

Google スカラー

Nardone, VC & Prewo, KM 不連続炭化ケイ素強化アルミニウム複合材の強度について。 Scr. メタル。 20(1)、43–48 (1986)。

記事 CAS Google Scholar

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この研究活動は、山西省の主要研究開発（R&D）プロジェクト（番号 201803D121028）、山西省基礎研究プログラム（番号 20210302123014）の支援、および中国山西省奨学会による研究プロジェクト（番号 20210302123014）によって資金提供されています。 . 2021-122）。

西南技術工学研究所、重慶、400039、中華人民共和国

フェイ・ワン

中国北方大学材料科学工学院、太原、030051、中華人民共和国

Heping Liu & フェンガー・サン

PLA 63850 部隊、白城、137001、中国

劉澤生

中国北部大学メカトロニクス工学部、太原、030051、中華人民共和国

郭志明

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HL と FS が本文を書き、FW、ZL、ZG が図を作成しました。 1、2、3、4、5、6、7、8。著者全員が原稿をレビューしました。

Zhiming Guo または Fenger Sun への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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Wang, F.、Liu, H.、Liu, Z. 他グラフェン強化アルミニウムマトリックス複合材料の微細構造解析、トライボロジー相関特性および強化メカニズム。 Sci Rep 12、9561 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13793-y

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受信日: 2022 年 4 月 27 日

受理日: 2022 年 5 月 27 日

公開日: 2022 年 6 月 10 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13793-y

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