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李贺军院士团队:新型石墨烯复合材料,全面提升!
出处:Carbontech  录入日期:2024-11-27  点击数:294

  近年来,随着航空航天、军事和高端建筑领域对材料性能要求的提升,陶瓷基复合材料(CMC)因其高强度和耐高温等特点受到广泛关注。然而,陶瓷材料的脆性仍是限制其应用的主要瓶颈。解决这一问题的核心在于优化材料的界面结构,使其兼具高强度、高韧性和功能化特性。
  基于此,西北工业大学李贺军院士团队研究了一种基于边缘富集石墨烯(ERG)与氧化铝(Al₂O₃)协同作用的复合材料,通过强弱界面协同设计,实现了机械性能与微波吸收特性的全面提升。
  该研究采用化学气相沉积法(CVD)在氧化铝粉末表面原位生长ERG,并将其与氧化铝粉末按不同质量比混合,通过热压烧结工艺制备复合材料。通过控制ERG与氧化铝的配比,研究团队构建了交替分布的强界面(氧化铝-氧化铝界面)与弱界面(氧化铝-石墨烯界面)结构。强界面提供高载荷传递能力,而弱界面通过裂纹引导和能量吸收机制,显著提高了材料的韧性。
  SEM和TEM表征显示,ERG在氧化铝颗粒表面形成了“核心-壳”结构,其边缘具有较高的活性,可与氧化铝基体形成共价键结合。这种结合方式确保了ERG与基体之间的高效载荷传递,同时通过其三维交联结构增加了材料的抗剪切强度。
  在机械性能方面,不同配比的复合材料展现出明显的性能差异。当ERG与氧化铝的质量比为5:1时,复合材料的弯曲强度达到333.04 MPa,断裂韧性为12.43 MPa·m¹/²,与传统氧化铝陶瓷相比显著提升。这主要归功于以下两个因素:
  1. 强界面的载荷传递效应:ERG与氧化铝之间的共价结合增强了界面强度,使载荷能有效传递至石墨烯层。
  2. 弱界面的裂纹引导效应:在受力过程中,裂纹在弱界面处发生偏转,从而延长了裂纹传播路径,分散了应力并提高了韧性。
  此外,断裂面分析显示,ERG的三维交联结构在受力过程中表现出良好的抗拉伸和抗撕裂能力,避免了界面剥离现象的发生。
  随着电磁污染问题的日益严重,具有电磁波吸收能力的功能材料受到广泛关注。该研究发现,通过调整ERG与氧化铝的比例,可显著优化复合材料的微波吸收性能。当ERG与氧化铝的质量比为5:1时,复合材料在X波段(8.2-12.4 GHz)内对入射电磁波的吸收率达到80%以上,有效吸收带宽为3.7 GHz。
  微波吸收性能的提升归因于以下机制:
  1. 导电网络的构建与优化:ERG的连续分布形成了导电网络,从而提供了良好的电磁波损耗能力。然而,过高的ERG含量会导致阻抗失配问题,降低材料的吸收效率。因此,适量掺杂氧化铝可有效中断导电网络,优化阻抗匹配。
  2. 界面极化与偶极子极化:ERG与氧化铝界面处的极化效应在电磁场作用下产生大量能量耗散,进一步增强了微波吸收能力。
  强弱界面的协同作用不仅体现在机械性能的提升上,还贯穿于材料的微波吸收机制中。ERG作为“弱界面”主要承担韧性提升与电磁波吸收功能,而氧化铝“强界面”则提供高强度载荷传递能力。两者通过合理设计实现了结构与功能的有机结合。
  此外,研究还表明,ERG的三维交联结构对微波吸收性能的提升起到了关键作用。这种结构既能增强导电网络的稳定性,又能通过“岛状网络”调控导电路径,从而在阻抗匹配与能量损耗之间取得平衡。
  总之,该研究通过强弱界面协同设计,成功制备了兼具高强度、高韧性和优异微波吸收性能的氧化铝基复合材料。在X波段条件下,这种复合材料以2 mm的匹配厚度实现了80%以上的微波吸收率,并兼具优异的力学性能。
  未来,随着纳米材料制备技术的进一步发展,类似的强弱界面设计理念有望在更多领域得到应用。例如,在航空航天领域,这种材料可以用作轻量化结构部件;在5G通信与电磁屏蔽技术中,它又具备广阔的应用前景。此外,优化界面结合方式、进一步提高石墨烯分布的均匀性和导电性,将是未来研究的重要方向。

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