陶瓷復合材料由陶瓷材料和其他材料組合而成,可以保持不同材料性能的優(yōu)點,提高單一組成材料的綜合性能。陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、質(zhì)量輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能,同時也具有高脆性、易斷裂等缺點,而石墨烯具有優(yōu)良的力學性能和熱學性能,可彌補陶瓷材料力學性能的不足。石墨烯陶瓷復合材料可廣泛應用于航空航天、土工建筑、電子通信等領域,應用前景廣闊。目前,石墨烯陶瓷復合材料存在成型效果不佳、制備工藝復雜、力學性能不理想等問題,限制了該類材料的進一步應用。本文基于水熱合成法,利用三維石墨烯氣凝膠為基底,開展了對納米陶瓷復合材料的可控制備以及力學和熱膨脹性能的研究,具體研究內(nèi)容包括以下三個方面:（1）基于水熱合成法,通過調(diào)整復合材料制備工藝參數(shù),實現(xiàn)對三維石墨烯基納米陶瓷復合材料的可控制備,通過微觀表征分析制備參數(shù)對復合材料微觀形貌影響。實驗結(jié)果表明,鎢酸鋯（ZrW₂O₈）前驅(qū)體溶液濃度和鹽酸（HCl）溶液濃度影響復合材料微觀陶瓷層的生長厚度,并在不同HCl溶液濃度下會使晶體生長為顆粒狀、棍棒狀和針絮狀。（2）通過力學性能和熱膨脹性能測試,探索制備工藝參數(shù)對復合材... 

【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

（a）低溫環(huán)境下管道凍裂；（b）因溫度影響引起的墻體脫落；（c）熱膨脹系數(shù)不匹配導致塑封器件芯片損傷失效[4]；（d）美國挑戰(zhàn)者號航天飛機爆炸

蘭州大學碩士學位論文三維石墨烯基納米陶瓷復合材料熱膨脹特性與力學性能研究4圖1.2單層石墨烯薄膜的力學性能測試[17]：（a）微柵上沉積石墨烯單層薄片；（b）非接觸式石墨烯膜AFM形貌圖；（c）納米壓痕測試懸掛石墨烯薄膜示意圖；（d）斷裂后石墨烯膜AFM形貌圖圖1.3單層石墨烯導熱系數(shù)測試[19]在熱學方面，2008年，Balandin等人[19]通過實驗對懸掛單層石墨烯的相關熱循性能進行了測試。如圖1.3所示，實驗數(shù)據(jù)表明石墨烯材料導熱系數(shù)為5800W/（m·K），遠高于單壁碳納米管、金剛石以及銅等金屬材料的導熱系數(shù)。2019年4月，Jiang等人[20,21]發(fā)現(xiàn)，當攜帶有巨大能量的氫原子越過排斥能壘，開始與石墨烯層中的碳原子發(fā)生強烈相互作用時，碳原子從sp2雜化變?yōu)閟p3雜化。如圖1.4所示，在sp3雜化系統(tǒng)中，最佳C-C鍵比sp2雜化系統(tǒng)中更長，所以這種變化導致相鄰碳原子發(fā)生面內(nèi)排斥，這種排斥引發(fā)面內(nèi)聲波，以聲速從撞擊部位穿過石墨烯層。當碳原子發(fā)生熱振動時，由于面內(nèi)外振動不同，從而增強面外振動振幅，石

蘭州大學碩士學位論文三維石墨烯基納米陶瓷復合材料熱膨脹特性與力學性能研究4圖1.2單層石墨烯薄膜的力學性能測試[17]：（a）微柵上沉積石墨烯單層薄片；（b）非接觸式石墨烯膜AFM形貌圖；（c）納米壓痕測試懸掛石墨烯薄膜示意圖；（d）斷裂后石墨烯膜AFM形貌圖圖1.3單層石墨烯導熱系數(shù)測試[19]在熱學方面，2008年，Balandin等人[19]通過實驗對懸掛單層石墨烯的相關熱循性能進行了測試。如圖1.3所示，實驗數(shù)據(jù)表明石墨烯材料導熱系數(shù)為5800W/（m·K），遠高于單壁碳納米管、金剛石以及銅等金屬材料的導熱系數(shù)。2019年4月，Jiang等人[20,21]發(fā)現(xiàn)，當攜帶有巨大能量的氫原子越過排斥能壘，開始與石墨烯層中的碳原子發(fā)生強烈相互作用時，碳原子從sp2雜化變?yōu)閟p3雜化。如圖1.4所示，在sp3雜化系統(tǒng)中，最佳C-C鍵比sp2雜化系統(tǒng)中更長，所以這種變化導致相鄰碳原子發(fā)生面內(nèi)排斥，這種排斥引發(fā)面內(nèi)聲波，以聲速從撞擊部位穿過石墨烯層。當碳原子發(fā)生熱振動時，由于面內(nèi)外振動不同，從而增強面外振動振幅，石

【參考文獻】：
期刊論文
[1]3D打印三維石墨烯及其高性能陶瓷基復合材料[J]. 楊金山,黃凱,游瀟,董紹明.  中國材料進展. 2018(08)
[2]負熱膨脹材料的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 刁志聰,林偉林.  中國鎢業(yè). 2010(02)
[3]負熱膨脹材料鎢酸鋯研究進展[J]. 謝修好,黃承亞.  合成材料老化與應用. 2007(03)
[4]ZrW2O8可控熱膨脹系數(shù)復合材料的研究進展[J]. 張志萍,劉紅飛,程曉農(nóng).  材料導報. 2007(S1)
[5]熱膨脹系數(shù)不匹配導致的塑封器件失效[J]. 張鵬,陳億裕,劉建.  電子與封裝. 2007(04)
[6]水熱法合成負熱膨脹材料ZrW2O8[J]. 邢奇鳳,邢獻然,杜凌,于然波,陳駿,鄧金俠,羅君.  金屬學報. 2005(06)
[7]有限元及軟件ANSYS簡介[J]. 馬奎興.  水利科技與經(jīng)濟. 2004(03)

博士論文
[1]三維石墨烯基多功能材料可控制備與性能研究[D]. 張強強.哈爾濱工業(yè)大學 2016

碩士論文
[1]基于石墨烯薄膜的自發(fā)熱路面融雪化冰研究[D]. 張寶強.蘭州大學 2018



本文編號：3316251