Análise de microestrutura, propriedades de correlação tribológica e mecanismo de fortalecimento de compósitos de matriz de alumínio reforçados com grafeno

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9561 (2022) Citar este artigo

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Neste artigo, compósitos de matriz de alumínio reforçados com grafeno são preparados com sucesso por moagem de esferas de alta energia. Os resultados mostram que nenhuma aglomeração de grafeno é encontrada no pó misturado. Os compósitos complexos preparados por moagem de bolas de alta energia e metalurgia do pó têm aproximadamente 4 a 5 camadas de grafeno e a espessura do grafeno de camada única é de aproximadamente 0,334 nm. Os resultados experimentais finais confirmam a formação do composto AlC3 na microestrutura, e seu índice de ponto de difração é (\(\overline{2 }\)00), (\(\overline{1 }\)1\(\overline{1 }\)) e (11\(\overline{1 }\)). O coeficiente de atrito máximo é de 0,126 e o ​​coeficiente de atrito médio é de 0,027, sugerindo boa resistência ao desgaste e resistência à corrosão. Além disso, o mecanismo de corrosão por fricção do material é profundamente analisado. Os resultados da análise do mecanismo de reforço mostram que o principal mecanismo de reforço dos materiais projetados neste experimento é o reforço de incompatibilidade térmica. Pode-se concluir que o limite de escoamento do material calculado pelo modelo modificado é de 227,75 MPa. Este valor é ligeiramente inferior ao valor calculado do modelo geral de shear lag (237,68 MPa). No entanto, está mais próximo do valor do limite de escoamento do material real (211 MPa).

Os compósitos de matriz de alumínio são amplamente utilizados em muitos campos, como aeroespacial, automotivo, militar e embalagens eletrônicas devido às suas excelentes propriedades1,2. A tecnologia de preparação deste tipo de compósitos metálicos amadureceu gradualmente, incluindo fundição por agitação, lixiviação sob pressão, agitação por fricção e metalurgia do pó3. A abordagem de reforço de compósitos de matriz de alumínio é adicionar fase dura descontínua na matriz de alguma forma. Várias fases de reforço populares incluem partículas de cerâmica, whisker, fibra curta e assim por diante4. A adição de fase dura para melhorar as propriedades dos compósitos de matriz de alumínio tem atraído cada vez mais atenção. Portanto, é de grande importância estudar compósitos de matriz de alumínio melhorados por fase dura.

Com o desenvolvimento da tecnologia, novas fases de reforço são constantemente exploradas para atender às necessidades de materiais em mais campos. Além disso, o desejo de algum tipo de reforço pode ser processado pela tecnologia de processamento multidimensional para aprimorar o compósito de matriz de alumínio. Desde 2004, os cientistas Geim e Novoselov, da Universidade de Manchester, no Reino Unido, isolaram com sucesso o grafeno do grafite usando decapagem micromecânica e descreveram suas propriedades eletrônicas5. Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, o grafeno é favorecido por um número crescente de pesquisadores, e seu campo de aplicação também está em expansão. Isso se deve principalmente às excelentes propriedades termoelétricas do grafeno, bem como à sua resistência à tração de 130 GPa. Seu módulo de Young é de 1 TPa, e possui excelente resistência à deformação6,7. Portanto, o grafeno tem atraído grande atenção na comunidade científica. Verificou-se que o grafeno é adicionado não apenas a materiais metálicos, mas também a materiais não metálicos. Devido à sua importante influência nas propriedades dos materiais, é amplamente utilizado na pesquisa e melhoria das propriedades dos materiais. O grafeno está desempenhando um papel cada vez mais importante no campo dos materiais.

No entanto, o grafeno apresenta algumas limitações em suas aplicações. O grafeno tem uma grande área de superfície específica de até 2630 cm2/g8, o que torna o grafeno facilmente aglomerado. Se o grafeno não for distribuído uniformemente na matriz, terá um impacto adverso nas propriedades do material. Para este fim, diferentes abordagens foram tentadas para melhorar o problema e alcançar a dispersão uniforme do grafeno. Wang et al.9 modificaram o pó de flocos de alumínio com nanofolhas de óxido de grafeno e álcool polivinílico para obter uma dispersão efetiva de grafeno na matriz. Os compósitos são preparados com sucesso por metalurgia do pó e extrusão a quente. Xin Gao et al.10 conseguiram adsorção uniforme de folhas de grafeno em pó de óxido de alumínio através da atração mútua de cargas diferentes. Compósitos com matriz de alumínio reforçados com grafeno uniformemente disperso foram preparados por metalurgia do pó. Alguns problemas urgentes e deficiências ainda restringem seu desenvolvimento e aplicação. Por exemplo, reduza o peso do produto e garanta a resistência a altas temperaturas, resistência à mordida e resistência ao desgaste do material ao mesmo tempo.