[論文レビュー] Graphene platelets reinforced aluminum matrix composite with enhanced strength by hot accumulative roll bonding

Jitendar Kumar Tiwari, Ajay Mandal+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2018

Aluminum Alloys Composites Properties参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、熱的積層圧延（ARB）を用いて少数層グラフェンプレートレット（GNPs）/アルミマトリックス複合材料を開発し、界面混合によってグラフェンの凝集を防ぐことで、降伏強度が73%増加し、硬度が27%増加した。このプロセスによりGNPの分散性と界面結合が向上し、延性を保持したまま顕著な強化効果が得られた。

ABSTRACT

Accumulative Roll Bonding(ARB) process was used to develop few-layer graphene nano platelets reinforced aluminum matrix (GNPs/Al) composite in the form of sheets. Annealed Al sheets were ARB processed up to 6 pass along with coating of graphene between stacked sheets in first and second pass. Another set was prepared with same process parameter in the absence of graphene coating. Properties of these two set of samples were analyzed on the basis of film theory of ARB process which enables micro-level mixing of material on stacked layer interface. Hence the problem of graphene agglomeration was overcome through our process. The Raman spectra at the cross-section was taken which not only show the strong interaction of GNPs with Al matrix due to increased D and D' band but also the graphene quality enhancement on the basis of single symmetric 2D band. Samples were then subjected to universal testing machine (UTM) and Vickers microhardness tester. Results showed up to ~73% increment in yield strength and ~27% increment in hardness of GNPs/Al matrix composite. Fracture surface of tensile specimen was further examined under SEM to understand the fracture mechanics at higher passes, which elucidate elongation variation and delamination behavior of stacked sheets. Deep elongated dimples with the smoothed surface in GNPs/Al composite are the cause of reduced elongation. But the final composite was having improved strength with appreciable ductility. The improvement was further justified by increment in dislocations, calculated using Williamson-Hall plot on X-ray diffraction (XRD) data. All results signify the effectiveness of the proposed technique for the development of GNPs/Al composite.

研究の動機と目的

• 少数層グラフェンプレートレット（GNPs）で強化された高強度アルミマトリックス複合材料をスケーラブルに製造する方法を開発すること。
• プロセッシング中に金属マトリックス複合材料におけるグラフェンの凝集という課題を克服すること。
• ARBのフィルム理論を活用して、アルミ中におけるGNPの分散性と界面結合を向上させること。
• 得られたGNPs/Al複合材料の機械的特性、すなわち強度、硬度、延性を評価すること。
• XRD、ラマン分光法、SEM分析を用いて、微細組織の変化と機械的性能の相関関係を明らかにすること。

提案手法

• 6パスまでアニール処理を施したアルミシートに熱的積層圧延（ARB）を適用した。
• 最初の2パスの間に、グラフェンプレートレットをアルミシートの間にコーティングして、界面混合を確保した。
• ARBのフィルム理論を活用して、層界面でのミクロレベルの混合を促進し、GNPの凝集を低減した。
• X線回折（XRD）データは、ウィリアムソン＝ホールプロットを用いて、不純物密度の増加を定量的に分析した。
• 断面に対してラマン分光法を実施し、GNPの品質とアルミマトリックスとの相互作用を評価した。
• 万能試験機（UTM）およびボイスタル硬度試験機を用いて機械的試験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的ARB処理は、凝集を防ぎながら、アルミマトリックス内にグラフェンプレートレットを効果的に分散させることができるか？
• RQ2 ARBのフィルム理論による界面混合が、GNPs/Al複合材料の機械的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ラマンスペクトルの変化から、GNPとアルミマトリックスの相互作用の程度はどの程度か？
• RQ4 不純物密度の増加と観察された強化効果の相関関係は何か？
• RQ5 複数回のARBパス処理後、GNPs/Al複合材料の破壊挙動と延性のトレードオフはいかなるものか？

主な発見

• 6パスのARB処理後、GNPs/Al複合材料の降伏強度は純アルミに比べ73%増加した。
• 効果的なGNP分散と界面強化のおかげで、複合材料の硬度は約27%増加した。
• ラマン分光法により、対称的な2Dバンドと増加したDバンドおよびD'バンドが観察され、アルミマトリックスとの強い相互作用が示された。
• SEMによる破壊面分析では、深く伸びたひずみのないくぼみが観察され、強度の向上にもかかわらず延性が低下した理由が説明された。
• ウィリアムソン＝ホールプロットにより、不純物密度の顕著な増加が確認され、これが観察された強化効果に直接寄与していることが示された。
• 複合材料は顕著な延性を維持しており、強度と成形性の良好なバランスが実現された。