SiCp/石墨烯增強鋁基複合材料及其製備技術（簡體書）

本書主要針對SiCp(SiC顆粒)和石墨烯增強鋁基復合材料的制備技術及結構和性能進行了全面系統的介紹，進而指出具有高比強度、高比模量和良好的減摩性與高導熱性的石墨烯增強鋁基復合材料對工程裝備與結構輕量化的重要科學意義和工程應用價值。內容涵蓋了SiCp、石墨烯以及二者混雜增強的鋁基復合材料的多種制備技術、界面微觀結構表征、力學性能和磨損性能測試以及相關的數值模擬等多個方面的研究成果。重點介紹從單一SiCp、石墨烯到二者混雜增強純鋁基、7075鋁合金和2024鋁合金基體復合材料的制備技術及其結構與性能的演化規律。同時結合數值模擬技術對鋁基復合材料的界面復合機理、服役過程中的變形行為和損傷破壞機理進行分析。本書可作為金屬基復合材料開發和應用的科技人員和工程技術人員的參考書，也可用作全國高等學校與科研院所金屬基復合材料相關專業的研究生教材。

杜曉明，畢業於中國科學院金屬研究所，工學博士，教授。主要從事鋁基復合材料的制備、成型以及模擬計算等方面的教學與科研工作。兼任遼寧省鑄造學會理事，中國機械工業教育協會機電類學科教學委員會委員。獲遼寧省高等學校教學成果三等獎1項。出版專著1部，編寫教材1部，在國內外各類學術刊物和國際學術會議上發表學術論文70余篇，其中SCI收錄45篇，EI收錄10篇。

理論與應用相結合,有較高的參考價值

我國新型裝備和工業產品減重節能的技術需求以及國家節能減排和可持續發展的戰略需求，對結構材料提出了更輕質、更高性能的發展要求，而廣泛應用復合材料是實現輕量化的一個有效途徑。相比於傳統增強體（包括陶瓷顆粒、碳纖維、碳納米管等），石墨烯具有更低的密度，更高的比模量、比強度、熱導率、電導率以及低的熱膨脹系數，因此石墨烯自誕生起就被認為是一種非常有前途的增強體。與輕質的鋁/鎂合金復合，在提高其力學性能的同時，可以顯著提高基體合金的電導率、熱導率，將會成為電力輸送、電子封裝和抗磨減摩材料的首要選擇，在航空航天、國防軍事、先進裝備和高端製造行業等領域將有重要應用價值。
近年來石墨烯增強鋁基復合材料的研究不斷取得突破性進展，充分展示了其在理論研究和實際應用領域的巨大潛力和發展前景，引起了科研工作者的廣泛關注。然而該領域的研究僅處於起步階段，在石墨烯增強鋁基復合材料的制備、成型加工、性能和界面微結構表征中還存在很多亟待解決的問題，如對石墨烯與鋁合金基體間的界面潤濕行為的調控機理認識不夠清楚，石墨烯片結構的各向異性對鋁合金基體的力學性能和物理性能的影響規律研究並不充分，石墨烯增強鋁基復合材料的制備和成型工藝有待於進一步優化。
全書共7章：第1章介紹了石墨烯增強鋁基復合材料的研究現狀、應用領域及發展趨勢；第2章介紹了增強體表面改性的主要工藝過程以及應用；第3章介紹了SiCp增強鋁基復合材料的制備技術、結構和性能；第4章介紹了石墨烯增強鋁基復合材料的制備技術以及影響復合材料組織和性能的主要因素；第5章介紹了納米相混雜增強鋁基復合材料制備實現過程中兩種途徑的研究成果，進而深入探究復合增強相增強鋁基復合材料的協同作用機制；第6章研究石墨烯增強鋁基復合材料的熱軋制變形、熱壓縮變形以及高應變衝擊壓縮變形對復合材料組織和力學性能的影響規律，闡明石墨烯增強鋁基復合材料在動/靜態載荷下的變形行為和損傷機制；第7章採用數值模擬技術研究復合材料在動態載荷下的變形行為及損傷機制。同時對不同影響因素下鋁基復合材料的導熱性能進行研究，揭示復合材料的導熱機制。本書基於筆者及其團隊的科研工作，是在筆者指導的碩士生鄭凱峰、齊浩天、郭爽、房官尚的四份碩士論文基礎上，結合理論和實驗兩方面，進行的開拓性研究。筆者及其團隊已陸續在國內外刊物上發表論文20余篇，其中被SCI收錄15篇。
此外，本書也指出了石墨烯增強鋁基復合材料在復合界面設計、性能調控和未來工程化應用方面的發展趨勢，為廣大讀者提供開發新型高性能鋁基復合材料的設計思路。筆者期望本書能對高等院校復合材料專業領域的學生和科技工作者起到借鑒作用。
本書由杜曉明教授統稿定稿，各章的編寫人員如下：
第1章、第4章、第5～7章：杜曉明、劉鳳國；第2章和第3章：杜曉明、曹磊。
本著作撰寫過程中，沈陽理工大學王承志教授提供了許多實驗數據，並完成了全稿的審閱，在此表示誠摯的感謝。碩士生石亞寧、王雪、盧志軒、馬雪在本書的編寫、素材整理和校核等方面做了許多工作，在此表示衷心的感謝。
本著作的出版得到了沈陽理工大學材料成型及控制工程“一流專業”建設經費、2020年遼寧省創新人才支持計劃和2020年沈陽市中青年科技創新人才支持計劃（RC200355）的資助，在此表示感謝。
由於筆者水平有限，不足之處在所難免，敬請同行專家學者和廣大讀者批評指正和不吝賜教。對此筆者將非常感謝。
後，請允許筆者也對家人的全力支持和關心表示衷心感謝，因為他們的無私奉獻，本書得以順利完成。

筆者
於沈陽理工大學

1緒論 001
1.1鋁基復合材料概論 001
1.1.1鋁基復合材料定義 001
1.1.2鋁基復合材料分類 002
1.1.3鋁基復合材料研究現狀 003
1.2SiCp/石墨烯增強鋁基復合材料的制備技術 005
1.2.1主要制備技術分類 005
1.2.2攪拌鑄造 006
1.2.3粉末冶金 008
1.2.4噴射沉積 010
1.2.5放電等離子燒結 010
1.3SiCp/石墨烯增強鋁基復合材料性能特點及應用 012
1.3.1性能特點 012
1.3.2應用情況 015
1.4SiCp/石墨烯增強鋁基復合材料研究趨勢與展望 017
1.4.1存在的主要問題 017
1.4.2研究進展及發展趨勢 019
參考文獻 022

2增強體的表面改性 026
2.1引言 026
2.2SiCp的高溫氧化 026
2.2.1氧化熱力學分析 027
2.2.2高溫氧化工藝 027
2.2.3氧化後顆粒表面氧化層觀察 029
2.2.4氧化層厚度計算 030
2.2.5影響氧化層厚度的因素 031
2.3化學鍍銅 034
2.3.1SiCp鍍銅 034
2.3.2石墨烯鍍銅 041
參考文獻 054

3SiCp增強鋁基復合材料的制備及性能研究 055
3.1引言 055
3.2固態半固態復合法制備鋁基復合材料 055
3.2.1實驗材料 055
3.2.2實驗方法 056
3.2.3粉末冶金法制備復合坯料 059
3.2.4電磁攪拌重熔復合工藝 066
3.3納米SiCp增強鋁基復合材料的制備 074
3.3.1實驗方法 074
3.3.2實驗結果 075
參考文獻 079

4石墨烯增強鋁基復合材料的制備及性能 082
4.1引言 082
4.2實驗材料與方法 083
4.2.1實驗材料 083
4.2.2復合材料的制備工藝 083
4.2.3復合材料組織與性能表征技術 085
4.3致密度 087
4.3.1測試方法 087
4.3.2實驗結果 087
4.4顯微組織與結構 089
4.4.1復合粉中石墨烯的分布 089
4.4.2復合材料的顯微組織結構 093
4.5力學性能 107
4.5.1硬度 107
4.5.2拉伸性能 108
4.5.3斷口形貌 111
4.6摩擦與磨損性能 114
4.6.1載荷對復合材料磨損性能的影響 114
4.6.2滑動頻率對復合材料磨損性能的影響 118
4.6.3復合材料磨損性能的評價 121
參考文獻 125

5納米相混雜增強鋁基復合材料的制備及性能 128
5.1引言 128
5.2實驗材料與方法 128
5.2.1實驗材料 128
5.2.2實驗方法 129
5.3石墨烯SiC納米顆粒復合增強相的制備 130
5.3.1球磨時間對復合增強相包覆效果的影響 130
5.3.2復合比例對復合增強相包覆效果的影響 132
5.4復合相增強鋁基復合材料的微觀結構與性能 134
5.4.1顯微組織與結構 134
5.4.2力學性能 138
5.4.3磨損性能 141
5.5不同增強相鋁基復合材料組織與性能比較 144
5.5.1顯微組織與結構 145
5.5.2力學性能 147
5.5.3磨損性能 150
參考文獻 151

6鋁基復合材料在動/靜載荷下的組織與性能研究 155
6.1引言 155
6.2實驗方法 155
6.2.1熱軋制變形實驗 155
6.2.2動/靜態壓縮實驗 156
6.2.3熱壓縮實驗 160
6.2.4微觀組織表征 160
6.3鋁基復合材料的熱軋制變形 161
6.3.1熱軋制變形量對復合材料組織的影響 161
6.3.2熱軋制變形量對復合材料性能的影響 174
6.4鋁基復合材料在動態壓縮下的力學響應與組織演變 182
6.4.1應力應變曲線 182
6.4.2宏觀變形 184
6.4.3微觀組織演變 186
6.4.4應變硬化和應變率敏感性 192
6.5鋁基復合材料熱壓縮變形行為 194
6.5.1熱壓縮流變應力行為 195
6.5.2熱壓縮變形微觀組織演變規律 199
參考文獻 202

7鋁基復合材料的數值模擬研究 204
7.1引言 204
7.2SHPB實驗的有限元模擬 205
7.2.1SiCp/Al7075復合材料 205
7.2.2石墨烯增強鋁基復合材料 215
7.3石墨烯增強鋁基復合材料的導熱性能模擬 221
7.3.1復合材料導熱性能的預測理論 222
7.3.2模擬方法 223
7.3.3模擬結果 224
參考文獻 228