Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Cải thiện độ bền kéo và khả năng ngăn chặn nứt của nanocomposite graphene-alumina
Tóm tắt
Trong công trình này, composite graphene-alumina có độ bền kéo cao đã được phát triển thông qua một phương pháp hóa học mới sử dụng boehmite và graphene, tiếp theo là quá trình ép đùn và kết tụ. Các tiền chất hỗn hợp được kết tụ bằng phương pháp thiêu kết ở nhiệt độ 1550 °C trong môi trường nitơ. Cấu trúc dạng tấm của boehmite hình thành α-alumina; trong khi đó, các hạt graphene tại các ranh giới hạt cản trở sự phát triển của hạt alumina. Việc tăng cường graphene được liên kết với ma trận α-alumina bằng lực van der Waals. Mẫu XRD cho thấy sự hiện diện của graphene với mặt phẳng (002) cùng với α-alumina. Các tính chất như độ bền kéo (5.6 ± 0.01 MPa m0.5), độ cứng Vickers (1872 ± 25 kgf/mm2) và mật độ thật (3.8 g/cm3) đã đạt được trong composite graphene-alumina 0.5 wt.%, so với α-alumina có độ bền kéo (5.3 ± 0.1 MPa m0.5), độ cứng Vickers (1984 ± 28 kgf/mm2) và mật độ thật (3.91 g/cm3). Sự cầu nối và độ lệch của các vết nứt trong composite graphene-alumina 0.5 wt.% được cho là do sự neo giữ và phân tán năng lượng trong quá trình phát triển vết nứt, điều này làm gia tăng độ bền kéo, trong khi đó α-alumina cho thấy sự thất bại do sự phát triển vết nứt tuyến tính. Trong khi đó, sự giảm nhẹ trong độ cứng Vickers và mật độ thật của composite graphene-alumina 0.5 wt.% là do các đặc tính tribological và mật độ thấp của graphene. Các tính chất đạt được của composite có thể phù hợp cho các ứng dụng điện áp cao, chịu mài mòn như lò dung luyện, ổ bi, v.v.
Từ khóa
#graphene #alumina #composite #độ bền kéo #độ cứng Vickers #mật độ thật #thiêu kết #phương pháp hóa họcTài liệu tham khảo
E. Dorre and H. Hubner, Alumina: Processing, Properties and Applications, Springer, New York, 1984, p 329
K.S. Novoselov, V. Fal, L. Colombo, P.R. Gellert, M.G. Schwab, and K. Kim, A Roadmap for Graphene, Nature, 2012, 490, p 192–200
I.W. Frank, D.M. Tanenbaum, A.M. van der Zande, and P.L. McEuen, Mechanical Properties of Suspended Graphene Sheets, J. Vac. Sci. Technol., 2007, B25, p 2558–2561
M. Mujahid, M.I. Qureshi, M. Islam, and A.A. Khan, Processing and Microstructure of Alumina-Based Composites, J. Mater. Eng. Perform., 1999, 8, p 496–500
Y.F. Chen, J.Q. Bi, C.L. Yin, and G.L. You, Microstructure and Fracture Toughness of Graphene Nanosheets/Alumina Composites, Ceram. Int., 2014, 40, p 13883–13889
C.F. Gutierrez-Gonzalez, A. Smirnov, A. Centeno, A. Fernández, B. Alonso, V.G. Rocha, R. Torrecillas, A. Zurutuza, and J. Bartolome, Wear Behavior of Graphene/Alumina Composite, Ceram. Int., 2015, 41, p 7434–7438
B. Sadeghi, M. Shamanian, F. Ashrafizadeh, P. Cavaliere, and A. Rizzo, Influence of Al2O3 Nanoparticles on Microstructure and Strengthening Mechanism of Al-Based Nanocomposites Produced Via Spark Plasma Sintering, J. Mater. Eng. Perform., 2017, 26, p 2928–2936
R. Kumar, A.K. Chaubey, S. Bathula, K.G. Prashanth, and A. Dhar, Al2O3-TiC Composite Prepared by Spark Plasma Sintering Process: Evaluation of Mechanical and Tribological Properties, J. Mater. Eng. Perform., 2018, 27, p 997–1004
A. Centeno, V.G. Rocha, B. Alonso, A. Fernández, C.F. Gutierrez-Gonzalez, R. Torrecillas, and A. Zurutuza, Graphene for Tough and Electroconductive Alumina Ceramics, J. Eur. Ceram. Soc., 2013, 33, p 3201–3210
J. Liu, Y. Yang, H. Hassanin, N. Jumbu, S. Deng, Q. Zuo, and K. Jiang, Graphene-Alumina Nanocomposites with Improved Mechanical Properties for Biomedical Applications, ACS Appl. Mater. Inter., 2016, 8, p 2607–2616
T. Cygan, J. Wozniak, M. Kostecki, M. Petrus, A. Jastrzębska, W. Ziemkowska, and A. Olszyna, Mechanical Properties of Graphene Oxide Reinforced Alumina Matrix Composites, Ceram. Int., 2017, 43, p 6180–6186
H.J. Kim, S.M. Lee, Y.S. Oh, Y.H. Yang, Y.S. Lim, D.H. Yoon, C. Lee, J.Y. Kim, and R.S. Ruoff, Unoxidized Graphene/Alumina Nanocomposite: Fracture-and Wear-Resistance Effects of Graphene on Alumina Matrix, Sci. Rep., 2014, 4, p 1–10
K. Wang, Y. Wang, Z. Fan, J. Yan, and T. Wei, Preparation of Graphene Nanosheet/Alumina Composites by Spark Plasma Sintering, Mater. Res. Bull., 2011, 46, p 315–318
E. Klyatskina, A. Borrell, E. Grigoriev, A. Zholnin, M. Salvador, and V. Stolyarov, Structure Features and Properties of Graphene/Al2O3 Composite, J. Ceram. Sci. Technol., 2018, 9, p 215–224
C. Rao, K. Subrahmanyam, H.R. Matte, B. Abdulhakeem, A. Govindaraj, B. Das, P. Kumar, A. Ghosh, and D.J. Late, A Study of the Synthetic Methods and Properties of Graphenes, Sci. Technol. Adv. Mater., 2010, 11, p 1–15
Y. Yan, Z. Huang, S. Dong, and D. Jiang, Pressureless Sintering of High-Density ZrB2-SiC Ceramic Composites, J. Am. Cream, 2006, 89(11), p 3589–3592
H. Zawati, F.I. Nur, and A.B. Nur, Effect of MgO additive on microstructure of Al2O3, Adv. Mater. Res., 2012, 488, p 335–339
Y. Liu, D. Ma, X. Han, X. Bao, W. Frandsen, D. Wang, and D. Su, Hydrothermal Synthesis of Microscale Boehmite and Gamma Nanoleaves Alumina, Mater. Lett., 2008, 62, p 1297–1301
A.K. Karamalidis and D.A. Dzombak, Surface Complexation Modeling: Gibbsite, Wiley, New York, 2011
X. Shang, W. Lu, B. Yue, L. Zhang, J. Ni, Y. lv, and Y. Feng, Synthesis of Three-Dimensional Hierarchical Dendrites of NdOHCO3 Via a Facile Hydrothermal Method, Cryst. Growth Des., 2009, 9, p 1415–1420
P.D.S. Santos, A.C.V. Coelho, H.D.S. Santos, and P.K. Kiyohara, Hydrothermal Synthesis of Well-Crystallised Boehmite Crystals of Various Shapes, Mater. Res., 2009, 12, p 437–445
L. Liu, Z. Shen, M. Yi, X. Zhang, and S. Ma, A Green, Rapid and Size-Controlled Production of High-Quality Graphene Sheets by Hydrodynamic Forces, RSC Adv., 2014, 4, p 36464–36470
Z. Zhang, H. Jin, C. Wu, and J. Ji, Efficient Production of High-Quality Few-Layer Graphene Using a Simple Hydrodynamic-Assisted Exfoliation Method, Nanoscale Res. Lett., 2018, 13, p 1–8
F. Del Río, M.G. Boado, A. Rama, and F. Guitián, A Comparative Study on Different Aqueous-Phase Graphite Exfoliation Methods for Few-Layer Graphene Production and Its Application in Alumina Matrix Composites, J. Eur. Ceram. Soc., 2017, 37, p 3681–3693
Y.Y. Lim and M.M. Chaudhri, The Influence of Grain Size on the Indentation Hardness of High-Purity Copper and Aluminium, Philos. Mag. A, 2002, 82, p 2071–2080
Q. Tang and J. Gong, Effect of Porosity on the Micro Hardness Testing of Brittle Ceramics: A Case Study on the System of NiO-ZrO2, Ceram. Inter., 2013, 39, p 8751–8759
W.L. Li and J.C.M. Li, The Effect of Grain Size on Fracture Toughness, Philos. Mag. A, 1989, 59, p 1245–1261
Z. Balak, M.S. Asl, M. Azizieh, H. Kafashan, and R. Hayati, Effect of Different Additives and Open Porosity on Fracture Toughness of ZrB2-SiC-Based Composites Prepared by SPS, Ceram. Inter., 2017, 43, p 2209–2220
G.D. Quinn, Fracture toughness of ceramics by the Vickers Indentation Crack Length Method: A Critical Review, Ceram. Eng. Sci. Proc., 2007, 27, p 45–62
A. Moradkhani, H. Baharvandi, M. Tajdari, H. Latifi, and J. Martikainen, Determination of Fracture Toughness Using the Area of Micro-crack Tracks Left in Brittle Materials by Vickers Indentation Test, J. Adv. Ceram., 2013, 2, p 87–102
I. Ahmad, T. Subhani, N. Wang, and Y. Zhu, Thermophysical Properties of High-Frequency Induction Heat Sintered Graphene Nanoplatelets/Alumina Ceramic Functional Nanocomposites, J. Mater. Eng. Perform., 2018, 27, p 2949–2959
Y. Fan, M. Estili, G. Igarashi, W. Jiang, and A. Kawasaki, The effect of Homogeneously Dispersed Few-Layer Graphene on Microstructure and Mechanical Properties of Al2O3 Nano Composites, J. Eur. Cream. Soc., 2014, 34, p 443–451
M. Suárez, A. Fernandez, J.L. Menendez, R. Torrecillas, H.U. Kessel, J. Hennicke, and T. Kessel, Challenges and Opportunities for Spark Plasma Sintering: A Key Technology for a New Generation of Materials, Sintering applications, 2013, 13, p 319–342