基于石墨烯_Ti界面调控的Ti合金成分设计与力学性能优化.pdfVIP

摘要

钛及钛合金因其较低的密度、良好的机械性能和高耐蚀性等优点被广泛应

用于航空航天等领域，但其力学性能还能得到进一步提高。石墨烯通常被作为

理想的增强材料加入Ti基体中，但石墨烯与Ti的反应十分剧烈，非常容易生

成界面反应物TiC，导致石墨烯的增强作用未发挥到极致，使Ti基体的力学性

能提升有限。本文从原子角度出发，通过第一性原理计算筛选抑制石墨烯/Ti

界面反应的合金元素，并基于界面调控合金元素在石墨烯表面的吸附情况对石

墨烯/Ti基复合材料的基体成分进行优化设计；通过分子动力学模拟界面调控

合金元素对石墨烯/Ti拉伸行为的影响，揭示了石墨烯强化机制；最后对优化

后的界面调控石墨烯/Ti基复合材料进行了实验验证。

基于第一性原理计算建立了石墨烯吸附Ti原子以及24种常见合金元素的

双原子吸附模型。通过电荷转移情况、原子成键特点、吸附能以及吸附距离等，

初步筛选出9种减弱界面反应的合金元素：N、Si、Co、Mn、Ni、Pd、Mo、

Sn、Ta。将初步筛选出的合金元素添加至石墨烯/Ti的界面模型中，通过偏聚

能和电子结构等计算，分析合金元素与界面稳定性之间的关联，最终筛选出界

面调控合金元素为Ta、Mo、Sn；并基于其在石墨烯表面的吸附情况，对石墨

烯/Ti基复合材料基体Ti合金成分进行计算设计，在石墨烯加入量为1wt%的

前提下，结合热力学计算结果，最终确定，Ta、Mo、Sn元素的加入量为0.85

wt%、1.01wt%、1.19wt%时，界面调控合金元素加入后复合材料中未有新相

生成，而且碳化物生成量减小。

通过分子动力学模拟，分析不同温度、石墨烯层数以及界面调控合金元素

对石墨烯/Ti基复合材料拉伸变形行为的影响，揭示其强化机制。结果表明，

在石墨烯/Ti中单独加入Ta、Mo、Sn三种合金元素时，弛豫后的界面体系中

Ta原子、Mo原子都趋向稳定存在于石墨烯表面，Sn原子趋向稳定存在于Ti基

体中，与第一性原理计算结果一致；但单一合金元素与二元合金元素掺杂都对

原本石墨烯/Ti复合模型的力学性能产生显著的负向影响，使界面处结合紊乱，

破坏了基体的稳定性，力学性能降低。当在石墨烯/Ti中同时加入Ta、Mo、Sn

时，石墨烯/Ti基复合材料的强度无明显降低，并且塑性产生了上升的趋势，

说明实现了在抑制界面反应的同时，不破坏Ti基体本身性能的目的。

最后，分别以纯Ti或TC4钛合金及Ta、Mo、Sn界面调控合金元素（同

时添加）为原料制备界面调控石墨烯/Ti基复合材料，对第一性原理计算和分

子动力学模拟的结果进行实验验证。实验结果表明，在石墨烯/Ti-Mo-Ta-Sn复

合材料和石墨烯/Ti-Al-V-Ta-Mo-Sn复合材料中均发现了石墨烯的存在，且三

种添加合金元素均未与Ti基体反应生成其他新相，说明三种合金元素的添加

在不破坏Ti基体的同时，起到了一定程度抑制界面反应的作用，达到了石墨

烯/Ti界面调控的效果。本文所制备出来的石墨烯/Ti-Ta-Mo-Sn复合材料硬度

相比于文献中的纯Ti提高了51.28%，比石墨烯/Ti复合材料提高了4.24%，但

断裂应变较低；石墨烯/Ti-Al-V-Ta-Mo-Sn复合材料的硬度相比石墨烯/TC4复

合材料略有提高，屈服强度略有降低，抗压强度相比TC4提高了15.15%，与

石墨烯/TC4复合材料相比提高了7.44%。断裂应变提高最为显著，相比于TC4

提高了74.72%，与石墨烯/TC4复合材料相比提高了50.73%，即塑性大幅度提

高，达到了对石墨烯/Ti基复合材料力学性能优化的效果。

关键词：石墨烯/Ti；合金元素；界面调控；成分设计；力学性能

Abstract

Titaniumandtitaniumalloysarewidelyusedinaerospaceandotherfields

becauseoftheirlowdensity,goodmechanicalpropertiesandhighcorrosio