1~5 wt%의 산화 그래핀(GO)으로 강화된 Ti 매트릭스 복합재는 아르곤 분위기에서 고온 압축 소결을 통해 제조되었습니다. 소결 온도가 복합재의 미세 구조 및 기계적 특성에 미치는 영향도 평가했습니다. 결과는 TiC 나노 입자가 소결 동안 Ti와 GO 사이의 반응을 통해 계면 생성물로서 제자리에서 형성되었음을 보여줍니다. GO 함량 및 소결 온도가 증가함에 따라 TiC의 양이 증가하여 복합재의 기계적 특성이 향상되었습니다. GO는 또한 소결 후 라멜라 구조로 부분적으로 유지되었습니다. 5 wt% GO로 강화된 복합재는 1473 K에서 순수 Ti보다 48.4% 높은 457 HV의 경도를 나타냈으며, 1473 K에서 소결된 Ti-2.5 wt% GO 복합재는 1294 MPa의 최대 항복 응력을 달성했습니다. 순수 Ti보다 62.7% 더 높습니다. GO 함량을 5wt%로 추가로 늘리면 GO 응집으로 인해 항복 응력이 약간 감소했습니다. GO로 보강된 복합재료의 파괴형태는 준절단파괴를 보인 반면, 순수 Ti 기지의 파괴형태는 연성파괴를 보였다. 주요 강화 메커니즘에는 TiC 및 GO의 결정립 미세화, 용액 강화 및 분산 강화가 포함됩니다.
최근 몇 년 동안 항공우주 산업을 위한 경량 및 고성능 재료에 대한 수요 증가로 인해 금속 매트릭스 복합재(MMC)가 개발되었습니다. 대표적인 MMC로서 TMC(Titanium Matrix Composites)는 비강도, 내마모성 및 고온 성능이 우수하여 잠재적인 후보로 간주되어 왔습니다. 내화 세라믹(TiC[1, 2], SiC[3], TiB[4, 5])과 높은 융점, 우수한 산화안정성, 우수한 열안정성을 갖는 SiC[6] 섬유는 일반적으로 이상적인 강화로 간주됩니다. 그러나 세라믹 보강재의 고유 취성으로 인해 매트릭스의 인성이 감소할 수 있습니다. 섬유 강화 TMC는 또한 섬유의 이방성에 의해 제한되어 성능이 불안정합니다.
탄소나노튜브와 그래핀을 포함한 탄소나노재료는 밀도가 낮고 특성이 우수하기 때문에 TMC의 경량화, 고강도화 등의 요구사항을 충족하기 위한 보강재로 주목받고 있다. sp 2 의 단일 원자 층으로 구성된 그래핀 -혼성화된 탄소 원자는 2630m 2 의 큰 이론상 비표면적을 가집니다. /g [7]. 최근 몇 년 동안 강화재로 그래핀은 탁월한 전기적, 열적 및 기계적 특성으로 인해 매트릭스 성능을 향상시키기 위해 널리 사용되었습니다[8,9,10]. Yanet al. [11]은 1073 K에서 열간 등방압 프레스에 의해 0.5 wt% 그래핀 나노플레이크(GNF)로 강화된 알루미늄 복합재를 제작했으며, 그 결과 0.5 wt% GNF를 충전하여 인장 강도가 순수 알루미늄 214MPa에서 319MPa로 증가한 것으로 나타났습니다. Li et al. [12] 0.8 vol.% Ni 나노입자로 장식된 그래핀 나노판을 강화 성분으로 사용하여 스파크 플라즈마 소결에 의해 Cu 매트릭스 복합물을 제조했습니다. 이들 복합재료는 순수 Cu보다 43% 더 높은 극한 인장 강도를 나타냈다. Gao et al. [13]은 0.3wt% 그래핀을 구리 매트릭스에 첨가했을 때 가장 높은 극한 인장 강도, Vickers 경도 및 열전도율을 달성했다고 보고했습니다. 그러나 그래핀 함량을 계속 증가시켜도 전술한 특성은 더 이상 개선되지 않았다. 유사한 현상이 Song et al.에 의해 보고되었습니다. [14]는 티타늄 매트릭스에 0.5 wt% 다층 그래핀을 첨가했을 때 복합재의 기계적 특성이 최대에 도달했음을 시사했다. 나노 탄소 재료의 강한 응집으로 인해 추가 보강이 적용된 복합 재료의 성능 향상은 제한적이었습니다. 초음파 교반[15], 고에너지 볼 밀링[16], 표면 활성화 처리[17]를 포함한 다양한 시도가 매트릭스에서 보강재의 분산성을 개선하기 위해 개발되었습니다. 그러나 뚜렷한 개선 사항은 관찰되지 않았습니다.
그래핀 옥사이드(GO)는 그래핀의 중요한 유도체로서 표면과 시트 가장자리에 다양한 산소 작용기(히드록실, 카르복실산, 에폭시)를 함유하여 용매에서의 분산성을 향상시킨다[18,19,20]. Kwon et al. [21] 분말 야금으로 AlMg5-1 vol.% GO 복합 재료를 제조했습니다. 극한 인장 강도와 거대 경도는 유사한 조건에서 AlMg5 합금의 약 2배였습니다. Linet al. [22] 레이저 가열에 의해 단층 산화 그래핀으로 Fe 매트릭스 복합물을 제조; 결과는 Fe-2 wt% GO 복합재료의 표면 미세경도가 순철에 비해 93.5% 증가했음을 나타냅니다. 그러나 티타늄 매트릭스를 강화하기 위한 보강재로 GO를 사용하는 것에 대한 연구는 거의 없습니다. 본 연구에서는 다양한 함량의 GO로 강화된 TMC를 열간 프레스 소결을 통해 제조하였다. 소결 온도가 복합재의 미세 구조 및 기계적 특성에 미치는 영향도 자세히 평가했습니다.
GO는 흑연을 원료로 하여 변형된 Hummers' 방법[23]을 사용하여 제조되었습니다. 흑연 분말은 산화 전에 상온에서 삽입 팽창에 의해 먼저 팽창되었다[24]. 앞서 언급한 접근 방식으로 얻은 비표면적은 기존의 열팽창 방법을 사용하여 얻은 것보다 10배 더 높았습니다. 구체적으로, 1.0g 흑연 분말(+ 325 메쉬, 순도> 99.95%, Aladdin) 및 12.75g CrO3가 포함된 인터칼런트 (Chuandong Chemical Industry, China)를 10.5mL 염산(37 wt%, Chuandong Chemical Industry, 중국)에 첨가하였다. 혼합물을 실온에서 2시간 동안 교반하여 CrO3를 얻었다. 기반 흑연 삽입 화합물(GIC) 플레이크. 그런 다음 GIC 플레이크를 탈이온수로 세척하여 과량의 반응물을 제거한 다음 반응성 종 60mL H2에 담그었습니다. O2 (30%, Chuandong Chemical Industry, 중국) 12시간 동안. 화학적 팽창 흑연(CEG)은 최종적으로 탈이온수로 세척되어 잔류 H2를 제거했습니다. O2 및 크롬 염. 삽입 및 팽창 중 화학 반응은 다음과 같이 설명됩니다.
$$ {\mathrm{CrO}}_3+2\mathrm{HCl}={\mathrm{CrO}}_2{\mathrm{Cl}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ ( 1) $$ 2{\mathrm{Cr}\mathrm{O}}_2{\mathrm{Cl}}_2+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}={\mathrm{H}}_2 {\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7+4\mathrm{HCl} $$ (2) $$ {\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7^{2- }+2{\mathrm{H}}^{+}+4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2=2{\mathrm{Cr}\mathrm{O}}_5+5{ \mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (3) $$ 2{\mathrm{Cr}\mathrm{O}}_5+6{\mathrm{H}}^{+}+7{\ mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2=2{\mathrm{Cr}}^{3+}+10{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+7{\mathrm{O }}_2\위쪽 화살표 $$ (4)확장은 생성된 O2에 의해 주도되었습니다. GIC 플레이크의 중간층 내의 가스. 준비된 그대로의 CEG를 농축된 H2의 9:1 혼합물과 통합했습니다. SO4 /H3 PO4 (153.3 mL) 및 KMnO4 (6 g)을 ice water bath에 넣고 323 K에서 4 시간 동안 교반한다. O2 불용성 불순물을 제거하기 위해 첨가되었습니다. 이어서, 30 mL 염산을 첨가한 후 GO를 침착시켰다. 12시간 후, 상층액의 pH가 5를 초과할 때까지 원심분리를 통해 침전된 GO를 세척함으로써 GO의 농축 용액을 제조하였다.
상업적인 순수 Ti 분말(Quanxing Titanium Industry, 중국)이 출발 물질로 사용되었습니다. 순수한 Ti의 화학 분석은 표 1에 나와 있습니다. Ti 매트릭스에서 최적의 GO 시트 분포를 얻기 위해 준비된 GO 농축액을 에틸 알코올(95%, Chuandong Chemical Industry, 중국)로 희석했습니다. Ti 분말을 희석된 GO 용액에 첨가하고 10분 동안 초음파 분산시켜 균일한 혼합물을 얻었다. 그 다음 용액을 333 K의 수조에서 반건조 상태의 슬러리로 교반하여 밀도 차이로 인한 Ti와 GO의 분리를 방지하였다. 슬러리를 333°K의 진공오븐에서 12시간 이상 완전히 건조하고, 건조된 혼합물을 10분 동안 분쇄하여 균일한 복합재를 얻었다.
얻어진 Ti/GO 혼합 분말을 내경 15 mm의 흑연 다이에 장입한 후, 아르곤 분위기가 흐르는 가열로(JVPF-150, Shenyang Jinyan New Material Preparation Technology Co. Ltd.)에 넣었다. . 성형체는 1073 및 1473 K에서 15 K/min의 가열 속도로 50 MPa 압력에서 30분 동안 소결되었습니다. 열간 프레스된 샘플은 20 K/min 미만의 냉각 속도로 노에서 실온으로 냉각되었습니다. Ti/GO 복합재료의 준비 과정의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다. 소결된 샘플을 기계적 시험편으로 절단하고 표면을 1 μm로 연마했습니다.
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Ti/GO 복합 재료 준비의 개략도
GO의 화학 구조는 라만 분광법(LabRAM HR Evolution, HORIBA Jobin Yvon SAS), X선 광전자 분광법(XPS, ESCALAB250Xi, Thermo Fisher Scientific) 및 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR, Nicolet iN10, 써모 피셔 사이언티픽). 소결된 시료의 상 조성은 X선 회절법(XRD, D2 PHASER, BRUKER)으로 측정하였다. GO의 열 안정성은 열중량 분석(TGA, TG, 209 F3 Tarsus, NETSCH)에 의해 측정되었습니다. 혼합분말과 소결복합체의 형태 및 원소분석은 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM, FEI Talos F200S G2, Thermo Fisher Scientific Inc.), 에너지분산분석기(EDS, TESCAN VEGA 3)를 이용하여 수행하였다. LMH, TESCAN). GO의 두께는 원자력현미경(AFM, Asylum Research MFP-3D-BIO, Oxford Instruments Co)으로 측정하였다. 시료의 Vickers 경도, 압축강도, 열전도율은 microhardness tester(HX-1000TM/LCD, Shanghai Taiming Optical Instrument Co. Ltd.), 재료시험기(MTS 858, MTS), 레이저를 이용하여 측정하였다. 각각 열전도율 시험기(LFA457, Netzsch, Ltd.)
준비된 GO의 구조적 특성은 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a의 라만 스펙트럼에서 볼 수 있듯이 GO는 1347 cm -1 에서 두 개의 뚜렷한 피크를 나타냅니다. (D-밴드) 및 1582 cm −1 (G-band), 이는 각각 구조 및 흑연화 정도의 결함에 해당합니다. 나 D /나 G 비율은 그래핀 재료의 결함 밀도를 나타냅니다. 이 연구에서 나 D /나 G 비율은 1.460으로 원래 sp 2 흑연의 결합은 산화 중에 유도된 산소 그룹으로 대체됩니다. GO의 화학 구조를 더 밝히기 위해 XPS 분석을 수행했으며 그 결과를 그림 2b에 나타내었다. C1s XPS 스펙트럼은 비산소화 고리 C(CC/C=C, ~284.6 eV), CO 단일 결합(COH, COC ~286.8 eV), 카르보닐(C=O, ~287.8 eV) 및 카르복실(OC=O, ~289.0 eV). 다른 작용기의 결합 에너지는 그림 2b에 표시되어 있습니다. 앞서 언급한 결과는 Fig. 2c와 같이 FT-IR 결과에서도 나타난다. 3400 cm −1 의 밴드 OH 결합의 신축 진동과 관련이 있습니다. 1000 cm −1 에서 피크 C-O-C 결합의 신축 진동에 해당합니다. 또한 C-O 및 C=O의 진동은 1230 및 1730 cm -1 대역에서 나타납니다. 각각의 대역폭. GO의 TGA 곡선은 그림 2d에 설명되어 있습니다. 433~493 K 부근에서 겉보기 중량 감소가 관찰되며, 이는 불안정한 산소 함유 작용기의 분해로 인한 것입니다. 또한 GO는 소결 중에 부분적으로 감소될 수 있습니다.
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준비된 GO의 구조적 특성. 아 라만 스펙트럼. ㄴ XPS C1s 스펙트럼. ㄷ FT-IR 스펙트럼. d TGA 플롯
GO 시트의 미세 구조는 그림 3에 나와 있으며, 이는 명확한 평면 구조를 나타냅니다. GO 시트의 최대 크기는 약 수십 마이크로미터이고 두께는 AFM 이미지에서 관찰된 바와 같이 약 1 nm입니다. 이러한 형태학적 결과는 다환 방향족 탄화수소 구조의 단일 층이 흑연에서 성공적으로 박리되었음을 나타냅니다.
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변형된 Hummers' 방법을 사용하여 제조된 GO 시트의 미세 구조. 아 SEM 이미지. ㄴ 원자현미경 이미지
GO 함량이 다른 혼합 복합 분말의 형태는 그림 4에 나와 있습니다. 작은 GO 조각은 빨간색 원으로 표시됩니다. GO는 매트릭스 전체에 균일하게 분포되어 있는 것으로 나타났습니다. 대부분의 GO 조각은 Ti 분말의 불규칙한 표면에 압착되고 흡수됩니다. 그러나 GO 함량이 5 wt%로 증가할 때도 상당한 응집이 발생합니다.
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a 혼합 분말의 SEM 현미경 사진 순수한 Ti, b Ti-1 wt% GO, c Ti-2.5 wt% GO 및 d Ti-5 wt% GO
그림 5는 GO 함량의 변화에 따라 1073 K에서 소결된 복합재료의 표면 현미경 사진을 보여줍니다. Ti 입자 사이의 결합은 고온에서 복합재의 밀도를 향상시킵니다. GO는 Ti 매트릭스에서 스트립 형태로 균일하게 분포됩니다. 또한, GO의 산소 함유 작용기의 분해로 인한 낮은 확산 활성화 에너지로 인해 GO와 Ti 매트릭스 사이에 갭 및 기공이 현저하게 관찰된다. Gap의 수는 GO 함량이 증가함에 따라 증가합니다. EDS 결과는 그림 6과 같이 TiC 입자가 소결 중 GO와 Ti 매트릭스 사이의 화학 반응을 통해 형성되고 갭 가장자리에 분포됨을 나타냅니다. 제자리에서 형성된 TiC는 Ti 매트릭스 사이의 계면 결합을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 및 GO 뿐만 아니라 복합재의 기계적 특성을 향상시킵니다.
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GO 함량의 변화에 따라 1073 K에서 소결된 복합재의 SEM 현미경 사진. 아 퓨어티. ㄴ Ti-1 wt%GO. ㄷ Ti-2.5 wt% GO. d Ti-5 wt% GO
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1073 K
에서 소결된 복합재의 EDS 분석1473 K에서 소결된 Ti/GO 복합재료의 형태를 Fig. 7에 나타내었다. 1073 K에서의 형태와 비교하여 Gap의 수가 현저하게 감소하고 온도가 상승함에 따라 시료가 더 조밀하게 나타난다. Ti의 확산 효율. GO는 또한 매트릭스에 균일하게 분포되어 있으며, GO가 더 많이 추가될수록 분산질의 양이 증가합니다.
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GO 함량의 변화와 함께 1473 K에서 소결된 복합재의 SEM 현미경 사진. 아 퓨어티. ㄴ Ti-1 wt% GO. ㄷ Ti-2.5 wt% GO. d Ti-5 wt% GO
1473 K에서 소결된 Ti-2.5 wt% GO 복합재의 TEM 패턴은 그림 8에 나와 있습니다. 복합재의 명시야 이미지는 Ti에 내장된 GO 시트가 다음과 같이 Ti 매트릭스의 경계에 부착되어 있음을 보여줍니다. 그림 8a에 나와 있습니다. 많은 GO 시트의 단층 플레이크 구조는 그림 8b와 같이 암시야 TEM 이미지에 의해 부분적으로 유지됩니다. 일부 나노 크기 입자와 기공이 GO 시트에 나타납니다. Fig. 8c는 Ti와 GO 사이에 in situ로 형성되는 20~200 nm 크기의 TiC 입자의 미세구조와 화학성분 분석을 보여준다. TiC 입자 크기의 넓은 범위는 유일한 탄소 공급원인 GO 시트의 크기 변화에 기인합니다. 이 현상은 다른 연구에서도 보고되었습니다. Zhang et al. [25]는 Ti/graphene 복합 재료가 100 nm에서 5 μm 범위의 크기를 갖는 TiC 입자를 형성함을 보여주었습니다. Karthiselva와 Bakshi[26]는 직경이 30~100 nm인 TiC 막대가 탄소나노튜브로 강화된 이붕화티타늄 매트릭스 복합재에서 형성됨을 밝혔습니다. GO에서 불균일한 산소 함유 작용기의 분해에 의해 형성된 갭은 또한 Ti 매트릭스와 GO 사이의 추가 반응을 방해하는 요인이다. 또한, Fig. 8d와 같이 결정립계와 결정립 모두에서 많은 전위가 발생한다. 이 발생은 TiC 입자, GO 시트 및 Ti 매트릭스 사이의 열팽창 계수(CTE)의 변화로 인해 발생합니다. 이 차이는 나노필러 주변에 고도로 국부적인 잔류 응력을 유발하여 전위를 생성합니다. 더 많은 전위가 GO 시트가 모이는 입자 경계에 고정됩니다. 전위 밀도가 높으면 전위 얽힘이 발생하여 복합 재료의 강도가 높아집니다.
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1473 K에서 소결된 Ti-2.5 wt% GO 합성물의 TEM 현미경 사진. a GO 시트와 Ti 매트릭스 사이의 인터페이스. ㄴ 합성물에 유지되는 GO의 구조. ㄷ 합성물에서 제자리에서 형성된 TiC. d 결정립계에서의 전위 발생
다른 온도에서 소결된 복합재의 XRD 분석이 그림 9에 나와 있습니다. 모든 샘플은 2θ에서 주요 Ti 피크를 가집니다. =35.09°(1 0 0), 38.42°(0 0 2) 및 40.17°(1 0 1). GO가 첨가됨에 따라 산화티타늄과 TiC의 약한 회절피크가 점차 나타나며, 이는 Ti와 GO 사이에 화학반응의 발생을 의미한다. 산화티타늄의 형성은 GO의 산소 함유 작용기에 기인한다. 표준 자유 에너지(ΔG ) 1073 K에서의 TiC 형성은 - 178.87 KJ/mol이고 1473 K에서의 TiC 형성은 - 177.26 KJ/mol이며, ΔG 그리고 T [27]. 따라서 TiC는 소결 중 Ti와 C 사이의 반응에 의해 제자리에서 형성되며, 이는 앞서 언급한 SEM 및 TEM 결과와 일치합니다. 유사한 현상이 Dong et al.에 의해 관찰되었습니다. [28]. TiC의 강도는 GO 함량이 증가함에 따라 증가합니다. 특히, Ti 피크의 상당한 확장이 발생하고 높은 2θ로 뚜렷하게 이동합니다. GO 함량 증가에 따른 각도로, GO 첨가 후 분말 입자 크기의 점진적 감소를 나타냅니다.
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a에서 소결된 복합재의 XRD 패턴 1073 K 및 b 1473 K
Ti/GO 복합재료의 Vickers 경도는 250 g의 하중과 10 s의 체류 시간으로 평가되었습니다. 임의의 표면 위치로 각 샘플에 대해 최소 5회 측정을 수행하고 평균값을 결정했습니다. 그림 10은 다양한 소결 온도에서 경도와 GO 함량 사이의 관계를 보여줍니다. 경도는 GO 함량의 증가로 향상됩니다. 5 wt% GO로 강화된 복합재료는 순수 Ti 샘플과 비교하여 경도가 347 HV로 1073 K에서 순수 매트릭스보다 25.4% 더 높은 것으로, GO의 첨가가 경도에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 합성물. 소결 온도가 1473 K로 증가함에 따라 경도는 모든 복합재에 대해 1073 K에 비해 크게 증가했으며, 이는 고온이 보이드를 줄이고 샘플의 밀도를 증가시킬 수 있음을 나타냅니다. 증가된 온도는 또한 TiC 형성의 동적 조건에 도움이 되어 복합재의 경도를 증가시킵니다. 그림 10과 같이 Ti-5 wt% GO 복합재료의 경도는 소결온도가 1073에서 1473 K로 증가할 때 344에서 457 HV로 증가한다.
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Ti/GO 복합재료의 비커스 경도
Ti/GO 복합재의 압축 응력-변형률 곡선은 0.5mm/min의 하중 속도에서 직경 4mm, 높이 10mm의 원통형 샘플을 압축하여 그림 11에 표시됩니다. 순수한 Ti에 대한 압축 테스트 결과는 강도의 상당한 증가를 비교하고 설명하는 데 사용됩니다. 표 2에 나타난 바와 같이, GO의 첨가에 의해 상당한 강도 향상을 확인할 수 있다. GO의 중량 분율이 0에서 5 wt%로 증가함에 따라 1073 K 소결 샘플의 항복 응력이 점차 증가합니다. 1073 K에서 소결된 Ti-5 wt% GO 복합재는 1173 MPa의 항복 응력을 나타내며, 이는 동일한 조건에서 처리된 순수 Ti보다 40.6% 더 높습니다. 유사하게, 1473 K에서 소결된 샘플의 항복 응력은 GO의 중량 분율이 0에서 2.5 wt%로 증가함에 따라 증가했습니다. 1473 K에서 소결된 Ti-2.5 wt% GO 복합재는 1294 MPa와 동일한 항복 응력을 나타내며 이는 순수한 Ti보다 62.7% 더 높습니다. GO 함량이 5 wt%로 추가 증가하면 GO 응집으로 인해 항복 응력이 약간 감소하며 이는 그림 4(d)에 표시된 결과와 일치합니다. 유사하게, GO를 첨가하면 두 온도 소결 샘플의 극한 응력이 증가합니다. 1073 K와 1473 K에서 소결된 Ti-1 wt% GO 복합재료의 극한응력은 1632 MPa와 977 MPa로 순수 Ti보다 각각 12%, 27% 높다. 또한, 곡선은 온도가 강도에 상당한 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 동일한 GO 함량을 갖는 복합재의 항복 응력 및 극한 응력은 소결 온도가 증가함에 따라 증가합니다. Ti-2.5 wt% GO의 극한 응력 및 항복 응력은 1473 K에서 1736 및 1294 MPa이며, 이는 1073 K에서 동일한 GO 함량을 갖는 복합재에 비해 10.2% 및 18.6%의 증가를 반영합니다. 상승된 온도는 샘플 밀도화 및 TiC 형성을 촉진하여 강도를 향상시킬 수 있습니다.
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a에서 소결된 샘플의 응력-변형률 곡선 1073 K 및 b 1473 K
다른 온도에서 소결된 샘플의 압축 파괴 형태는 그림 12에 나와 있습니다. 그림 12와 그림 12에 표시된 것처럼 두 소결 온도에서 순수한 Ti 샘플에 대해 수많은 딤플이 분명합니다. 연성 파괴 특성을 나타내는 12a 및 e. GO로 강화된 복합재에 대한 파괴 분석은 Ti 매트릭스와 비교하여 파괴 특성의 명백한 차이를 보여줍니다. Ti/GO 복합재료에는 여러 개의 절단면과 미세균열이 나타나며, 이는 준절개 파괴 특성을 나타냅니다. 또한, 이러한 특징은 소결 온도가 증가함에 따라 더욱 분명해집니다. 절단면의 크기는 간극과 기공의 감소로 인해 소결 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 이러한 기공과 틈은 균열 및 균열 개시의 원인이 됩니다.
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a의 골절 형태 1073 K, b에서 소결된 순수 Ti 1073 K, c에서 소결된 Ti-1 wt% GO 1073 K, d에서 소결된 Ti-2.5 wt% GO 1073 K, e에서 소결된 Ti-5 wt% GO 1473 K, f에서 소결된 순수 Ti 1473 K, g에서 소결된 Ti-1 wt% GO Ti-2.5 wt% GO 소결 1473 K 및 h 1473 K
에서 소결된 Ti-5 wt% GOTi/GO 복합재료의 열전도율은 직경 8 mm, 높이 1 mm의 작은 원형 planchet 측정 시료를 사용하여 473 K, 673 K, 873 K에서 평가하였으며 그 결과를 Fig. 13에 나타내었다. 열전도율은 GO 함량이 증가함에 따라 감소하는데, 이는 GO의 첨가가 복합재의 열전도율을 저하시킬 수 있음을 나타냅니다. 이 결과는 GO의 열전도율이 낮고 GO의 불완전한 환원에 기인합니다. 또한, 산소 함유 작용기의 분해로 인해 매트릭스와 GO 사이의 간격에 의해 열전도도가 방지됩니다. 따라서 복합재료의 열전도율은 GO의 첨가에 의해 향상될 수 없다. 그림 13은 또한 Ti/GO 복합재료의 열전도율이 소결 온도가 증가함에 따라 크게 증가함을 보여줍니다. 그 이유는 소결 온도가 상승함에 따라 간극이 감소하고 시료 밀도가 증가하기 때문입니다. 더 많은 양의 GO가 고온에서 그래핀으로 환원되기 때문에 1073 K에서 소결된 것보다 더 높은 열전도도를 나타냅니다. 소결 전에 먼저 화학적으로 그래핀으로 환원됩니다.
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a에서 소결된 복합재의 열전도율 1073 K 및 b 1473 K
TiC 및 GO의 결정립 미세화, 용액 강화 및 분산 강화는 앞서 언급한 결과에 따라 본 연구에서 주요 강화 메커니즘으로 간주됩니다. GO 함량이 증가함에 따라 입자 크기가 정제됩니다. 결정립 크기의 미세화는 더 집중적인 결정립계를 나타내며, 이는 전위 운동을 방지하고 재료의 항복 강도 증가를 유도합니다. 강도에 대한 이러한 기여는 널리 알려진 Hall-Petch 관계[29, 30]에 의해 다음과 같이 설명됩니다.
$$ \sigma ={\sigma}_0+k{D}^{-\frac{1}{2}} $$ (5)여기서 σ 및 σ 0 는 전위가 슬립면에서 미끄러질 때의 항복 응력과 마찰 응력입니다. ㅋ 는 재료에만 관련된 응력 집중 계수입니다. 디 평균 입자 크기입니다. k의 값 슬립 시스템의 번호와 관련이 있습니다. 이 값은 면심 입방체(FCC) 및 체심 입방체(BCC) 금속보다 육각형 밀폐 패킹(HCP) 금속에서 더 높습니다[31]. Ti는 HCP 구조를 나타내고; 따라서 입자 미세화가 항복 강도를 크게 증가시킵니다.
고용체 강화는 또한 중요한 강화 메커니즘으로 간주됩니다. 원자 반경의 실질적인 차이로 인해 탄소와 산소는 Ti 매트릭스에 대한 효과적인 용질 원자입니다. 용질 원자는 격자 왜곡과 핀 전위 운동을 일으켜 재료의 항복 응력을 향상시킬 수 있습니다.
제자리에서 형성된 GO 및 TiC는 Ti 매트릭스에 균일하게 분산됩니다. 이러한 분산형 TiC 나노 입자는 복합 재료를 효과적으로 강화할 수 있습니다. 높은 전위 밀도는 Ti 매트릭스와 보강재 사이의 다른 열 팽창에 의해 생성됩니다. Orowan 강화[32]는 또한 중요한 강화 메커니즘으로 간주됩니다. 전위 운동은 비표면적이 높은 GO 시트를 우회하기 위해 훨씬 더 많은 에너지를 소비합니다.
다양한 함량의 GO(1 wt%, 2.5 wt%, 5 wt%)가 이 연구에서 다양한 온도에서 열간 프레스 소결하여 티타늄 기지 복합 재료를 제조하기 위한 보강재로 사용되었습니다. 다음과 같은 결론이 도출되었습니다.
GO는 함량이 5 wt% 미만일 때 매트릭스에 균일하게 분포됩니다. 20–200 nm 크기의 TiC는 소결 중 Ti와 GO 사이의 반응에 의해 계면 생성물로 제자리에서 형성됩니다. GO 함량 및 소결 온도가 증가함에 따라 제자리에서 TiC 나노 입자의 양이 증가합니다. 또한 GO는 소결 후 라멜라 구조로 부분적으로 유지됩니다.
<리> (2)경도, 항복강도, 극한강도는 GO의 첨가와 소결온도에 의해 크게 향상된다. The Ti-5 wt% GO composite has a maximum hardness of 457 HV, which is 48.4% higher than that of pure Ti at 1473 K. The Ti-2.5 wt% GO composite sintered at 1473 K shows a peak yield stress of 1294 MPa, which is 62.7% higher than that of pure Ti because of GO agglomeration in the Ti-5 wt% GO composite.
The Ti/GO composites exhibit a quasi-cleavage fracture instead of a ductile fracture for the pure Ti matrix. With a rising sintering temperature, the size of the cleavage plane increases. The thermal conductivity of the composite is deteriorated by the addition of GO but improved with an increase in sintering temperature.
The grain refinement, solution strengthening, and dispersion strengthening of GO and TiC in situ are the main strengthening mechanisms of the Ti/GO composites in this study.
원자력 현미경
Body-centered cubic
Chemically expanded graphite
Coefficient of thermal expansion
에너지 분산 분광계
Face-centered cubic
푸리에 변환 적외선 분광기
Graphite intercalation compound
Graphene nanoflakes
산화 그래핀
Hexagonal close packing
Metal matrix composites
주사 전자 현미경
투과전자현미경
Thermogravimetric analysis
Titanium matrix composites
X선 광전자 분광법
X선 회절
나노물질
그래핀은 접착 테이프를 사용하여 흑연을 탄소의 개별 층으로 분리한 맨체스터 대학(영국 맨체스터)의 연구원들이 2004년에 처음으로 분리 및 특성화한 것으로 창립자인 Andre Geim과 Kostya Novoselov가 2010년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 10년 후, 그래핀 강화 복합 응용(전기 자동차 배터리용 아라미드 나노섬유 강화 슈퍼커패시터부터 항공우주 복합 도구 및 극저온 압력 용기에 이르기까지)이 계속 헤드라인을 장식하고 있습니다. 재료 자체는 상업적으로 이용 가능한지 약 10년이 되었지만 그래핀 위원회(미국 노스캐롤라
강철의 특징 철강 등급 시스템은 화학 성분, 처리 및 기계적 특성을 고려하여 제작자가 적용 분야에 적합한 제품을 선택할 수 있도록 합니다. 재료의 탄소 및 기타 합금의 실제 비율 외에도 미세 구조는 강철의 기계적 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 미세 구조의 정의와 강철의 미세 구조가 열간 성형 및 냉간 성형을 사용하여 그리고 제조 후 조작될 수 있는 방식을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 기술은 특정 기계적 특성을 가진 제품을 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 구성과 미세 구조를 조작하면 서로 다른 속성 간에 절충이
