石墨烯缺陷诱导纳米晶增强镁合金的界面行为及强韧化机制

Due to the unique 2D structure, graphene nanoplatelets (GNPs) are qualified to be ideal reinforcements for magnesium matrix composite based on the ultra-high mechanical strength, excellent high-temperature stability and chemical compatibility of graphene. However, recent researches on GNP/Mg matrix composites lack graphene characteristics. The optimization effect of GNPs on the mechanical performance of magnesium alloys is limited. Our previous study found that the structural defects in reduced graphene oxides (RGOs) by chemical exfoliation can enhance the interaction between RGOs and Mg matrix. In addition, the defects in RGOs can induce nanocrystalline magnesium, which is benefit for not only strength but also ductility of magnesium alloy. This project intends to control the type, density and distribution of defects in RGOs by adjusting the processes during oxidation, reduction and post-treatment in chemical exfoliation. We will study the interfacial behavior between defective graphene and Mg matrix, and analyze the strengthening and toughening mechanisms. This work will provide scientific basis for optimal design of graphene reinforced magnesium matrix composites in mass production.

石墨烯以其独特的二维薄层结构，具有超高的力学强度，加之优异的高温稳定性及化学兼容性，是理想的镁基复合材料增强体。然而，目前对石墨烯增强镁合金复合材料的研究缺乏石墨烯特征针对性，石墨烯对镁基体的强韧化作用未得到充分发挥。申请人在前期研究中发现，化学剥离法制备石墨烯的结构缺陷可加强石墨烯与镁合金基体的界面相互作用，诱发镁纳米晶，在提高强度的同时优化镁合金的韧性。本项目拟通过调控化学剥离法制备石墨烯的氧化、还原及后处理工艺，实现石墨烯缺陷在类型、密度、分布方面的可控制备，研究缺陷石墨烯与镁合金基体的界面行为，分析其强韧化机制，为基于可宏量制备的石墨烯增强镁合金复合材料的优化设计提供科学依据。

镁及其合金以比强度高、易加工回收等优点，在航天航空、汽车、电子信息等领域具有广泛的应用潜力。限制镁合金材料应用的重要瓶颈之一仍是其强韧性与铝合金、钢铁相比较低，难以满足日益提升的使用需求。石墨烯以其超高的理论杨氏模量、机械强度以及高温稳定性，成为理想的镁基复合材料增强体。然而，现有研究方法多处于改善石墨烯与镁基体复合方式的层面上，忽略了石墨烯的自身结构特征，镁基复合材料难以实现强度与韧性的双赢，石墨烯对镁合金基体的强韧化作用未得到充分发挥。.本项目从石墨烯自身结构特征入手，采用化学剥离法制备的缺陷石墨烯作为增强体，通过调控石墨烯制备过程中的氧化、还原等工艺，生成石墨烯on-plane及in-plane 缺陷，采用搅拌浇铸法制备石墨烯/镁合金复合材料。研究内容阐明了石墨烯on-plane及in-plane 缺陷的生成机制、缺陷石墨烯与镁合金基体的界面行为、缺陷石墨烯对镁合金基体的强韧化机制等科学问题。与基体合金相比（190 MPa, 5.3%），0.05wt.%缺陷石墨烯增强ZK60复合材料的抗拉强度和延伸率分别提升至261MPa和12.1%，实现了ZK60合金在力学强度及塑性上的双重优化。缺陷石墨烯在与镁基体复合过程中，其表面的含氧官能团可与Mg原子发生反应，形成“铰链”，并填充石墨烯表面的孔洞，形成镁基体在石墨烯片层间的“贯穿”，使得石墨烯与镁基体间形成牢固的界面结合；此外，石墨烯表面的结构缺陷构建了大量具有纳米尺度间距的异质形核位，触发镁合金基体形成纳米晶粒，从而获得了强度与塑性双赢的新型镁基复合材料。通过本项目的研究，有力地弥补了镁基复合材料塑韧性差的缺点，为基于可宏量制备的石墨烯增强镁合金复合材料的优化设计供科学依据，有助于推动镁合金材料的广泛应用。.