Verbeterde sterkte en hardheid van grafeneoxide-versterkte titaniumcomposieten via hot-press sinteren

Samenvatting

Ti-matrixcomposieten met 1–5 gew.% grafeneoxide (GO) werden gefabriceerd door hot-press sinteren onder argon. De reactie tussen Ti en GO produceerde in situ TiC-nanodeeltjes, terwijl een lamellaire GO-netwerk deels behouden bleef. Toenemende GO-lading en sintertemperatuur verhoogden de TiC-inhoud, wat op zijn beurt hardheid en sterkte verbeterde. Het 5 gew.% GO composiet gesinterd bij 1473 K bereikte 457 HV (48% hoger dan zuiver Ti) en het 2,5 gew.% GO monster bij dezelfde temperatuur vertoonde een piek vloeispanning van 1294 MPa, 63% boven zuiver Ti. Fractografie onthulde een quasi-kleefbreukmodus in de versterkte composieten versus duktile breuk in onversterkt Ti. De versterking voortkwam uit korrelverfijning, vastestof-effecten en dispersie van TiC en GO.

Inleiding

De luchtvaartsector eist materialen die lichtgewicht zijn maar toch in staat zijn extreme belasting en temperaturen te weerstaan. Titanium-matrixcomposieten (TMCs) zijn aantrekkelijke kandidaten vanwege hun hoge specifieke sterkte, uitstekende slijtvastheid en stabiele hoge-temperatuurprestaties. Conventionele keramische versterkingen (TiC, SiC, TiB) en SiC-vezels verhogen stijfheid maar kunnen het matrix embritelen of anisotropie introduceren. Koolstof-gebaseerde nanomaterialen, met name grafene en de geoxideerde vorm, bieden een laag-dichtheid route om sterkte te verhogen terwijl zwaarte behouden blijft. Grafene's enkelaatoom dikte en sp²-binding geven het een theoretisch oppervlak van 2630 m² g⁻¹ en uitstekende elektrische, thermische en mechanische eigenschappen. Eerder werk toonde aan dat toevoeging van slechts 0,5–0,8 gew.% grafene-derivaten aan Al of Cu matrices de treksterkte met 20–40% kan verhogen. Echter, het voordeel plateaut bij hogere ladingen door nanopartikelaagglomeratie. Grafeneoxide (GO) bevat zuurstoffunctionele groepen die de dispersie in oplosmiddelen verbeteren en met het metalen matrix kunnen reageren om versterkende fasen te vormen. Hoewel GO Al en Fe composieten heeft verbeterd, blijft de toepassing op Ti-matrices onderontwikkeld. Deze studie onderzoekt Ti/GO composieten gefabriceerd door hot-press sinteren, onderzocht hoe GO-inhoud en sintertemperatuur de microstructuur, fasevorming en mechanische prestaties beïnvloeden.

Methoden en experimenten

Synthese van grafeneoxide

GO werd geproduceerd via een gemodificeerde Hummers-route. Grafiet (99,95% zuiverheid, <325 mesh) werd eerst geïntercaleerd met CrO₃ in HCl, daarna geëxpandeerd door H₂O₂-behandeling om chemisch geëxpandeerd grafiet (CEG) te geven. Vervolgde oxidatie met een 9:1 mengsel van H₂SO₄/H₃PO₄ en KMnO₄ bij 323 K, gevolgd door neutralisatie met H₂O₂ en HCl, produceerde GO-vlokken. Raman, XPS, FT-IR en TGA bevestigden de aanwezigheid van geoxideerde functionele groepen en een enkellaags dikte (~1 nm) (Fig. 2).

Composietpoederbereiding

Commercieel Ti-poeder (≥99,9% zuiverheid) werd gemengd met een GO-suspensie vervaagd in 95% ethanol. De slurry werd 10 min ultrasonisch gedispergeerd, gedroogd in een vacuümoven bij 333 K en 10 gemalen om een uniforme Ti/GO-mengsel te geven (Fig. 4).

Hot-press consolidatie

Mengsels werden geladen in een 15 mm grafiet die en gesinterd in een argon-stroomoven bij 1073 of 1473 K, met een verwarmingsvoet van 15 K min⁻¹, 30 min wachttijd en 50 MPa druk. Monsters werden gekoeld met <20 K min⁻¹. De resulterende compacten werden gemachineerd tot proefstukken en gepolijst tot 1 µm.

Karakterisering

Faseanalyse werd uitgevoerd door XRD; microstructuur door SEM, TEM en EDS; GO-dikte door AFM. Hardheid (Vickers, 250 g, 10 s), druksterkte (MTS 858) en thermische geleiding (Netzsch LFA 457) werden gemeten. TGA kwantificeerde GO-decompositietemperaturen.

Resultaten en discussie

Grafeneoxide structuur

Raman-spectra toonden D (1347 cm⁻¹) en G (1582 cm⁻¹) banden met I_D/I_G = 1,46, wat significante oxidatie aangeeft. XPS C 1s pieken corresponderden met sp² C, C–O, C=O en O–C=O groepen. FT-IR bevestigde O–H, C–O–C en C=O trillingen. TGA toonde een grote gewichtsverlies tussen 433–493 K, toeschrijfbaar aan verlies van labil zuurstofgroepen (Fig. 2).

Microstructuur en fase-evolutie

SEM-beelden van Ti/GO-poeders (Fig. 4) onthulden uniforme dispersie van GO-vlokken tot 2,5 gew.%; 5 gew.% monsters vertoonden lichte agglomeratie. Na sinteren bij 1073 K, bonden Ti-deeltjes met een strookvormig GO-netwerk, maar gaten verschenen door beperkte diffusie van zuurstofgroepen (Fig. 5). EDS karterde TiC-nanodeeltjes aan de GO–Ti-interfaces, bevestigend in-situ reactie. Bij 1473 K werd de matrix compacter, gaten verminderen en TiC-dichtheid nam toe (Fig. 7). TEM van het 2,5 gew.% monster toonde GO-vlakken behouden als lamellen, TiC-deeltjes 20–200 nm en een hoge dislocatiedichtheid aan korrelgrenzen, consistent met Orowan-type versterking (Fig. 8).

XRD-analyse

Alle monsters vertoonden dominante α-Ti-pieken (100, 002, 101). Met GO-toevoeging verschenen zwakke TiO₂ en TiC-reflecties, die in intensiteit toegenemen bij hogere GO-ladingen en temperaturen, wat progressieve TiC-vorming aangeeft (ΔG ≈ −178 kJ mol⁻¹ bij 1073 K). Piekuitbreiding en verschuiving naar hogere 2θ impliceerden korrelverfijning (Fig. 9).

Mechanische eigenschappen

Hardheid steeg van 250 HV (zuiver Ti) naar 457 HV (5 gew.% GO bij 1473 K), een 48% verbetering. Drukvloeispanning steeg van 702 MPa (zuiver Ti) naar 1294 MPa (2,5 gew.% GO bij 1473 K), een 63% winst. Het 5 gew.% monster toonde een lichte daling door GO-clustering (Fig. 10, 11). Verhoogde sintertemperatuur verbeterde dichtheid, TiC-vorming en dislocatie-activiteit, wat de sterkte verder verhoogde.

Fractografie

Zuiver Ti vertoonde dimples indicatief voor duktile breuk. GO-versterkte composieten vertoonden quasi-kleefvlakken en microkraken, meer uitgesproken bij 1473 K waar gaten waren verminderd (Fig. 12).

Thermische geleiding

Toevoeging van GO verlaagde geleiding van 22 W m⁻¹ K⁻¹ (zuiver Ti) naar 16 W m⁻¹ K⁻¹ (5 gew.% GO) bij 873 K, door lage GO thermische geleiding en interfaciale gaten. Echter, geleiding steeg met sintertemperatuur naarmate de microstructuur dichter werd en meer GO gereduceerd werd tot grafene (Fig. 13).

Versterkingsmechanismen

Korrelverfijning (Hall-Petch), vastestof-versterking door C en O atomen, en dispersie-versterking van TiC en GO werden geïdentificeerd als primaire bijdragers. De hoge dislocatiedichtheid, gecombineerd met Orowan-buiging om GO-lamellen, versterkte de vloeistraak nog verder.

Conclusies

1. GO disperseert uniform in Ti tot 5 gew.%; TiC (20–200 nm) vormt in situ via Ti–GO-reactie, toenemend met GO-inhoud en temperatuur.
2. Hardheid en vloeistraak stijgen scherp: 457 HV (48%) en 1294 MPa (63%) ten opzichte van zuiver Ti bij 1473 K.
3. Breukmodus verschuift van duktiel naar quasi-kleef; thermische geleiding daalt met GO maar verbetert bij hogere sintertemperaturen.
4. Sterktegerwin voortkomt uit korrelverfijning, vastestof-effecten en dispersie van TiC en GO.

Afkortingen

AFM

Atoomkrachtmicroscopie

BCC

Lichaamsgecentreerd kubisch

CEG

Chemisch geëxpandeerd grafiet

CTE

Thermische uitzwelcoëfficiënt

EDS

Energie-dispersieve spectrometer

FCC

Vlakgecentreerd kubisch

FT-IR

Fourier-transformatie infraroodspectroscopie

GIC

Grafiet-intercalatieverbinding

GNFs

Grafene nanoflokken

GO

Grafeneoxide

HCP

Hexagonale dichtste pakking

MMCs

Metaal-matrixcomposieten

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

TEM

Transmissie-elektronenmicroscopie

TGA

Thermogravimetrische analyse

TMCs

Titanium-matrixcomposieten

XPS

Röntgenfotoelektronenspectroscopie

XRD

Röntgendiffractie