[논문 리뷰] Graphene platelets reinforced aluminum matrix composite with enhanced strength by hot accumulative roll bonding

Jitendar Kumar Tiwari, Ajay Mandal외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 30.

Aluminum Alloys Composites Properties참고 문헌 24인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 열적 누적압연(ARB)을 통해 소수층 그래핀 플레이트렛(GNPs)/알루미늄 기반 복합재를 개발하여, 인터페이스 혼합을 통해 그래핀 응집을 방지함으로써 항복강도를 73% 향상시키고 경도를 27% 향상시켰다. 이 과정은 GNPs의 분산과 인터페이스 결합을 향상시켜 연성 유지와 함께 뚜렷한 강화 효과를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소수층 그래핀 플레이트렛(GNPs)으로 강화된 고강도 알루미늄 기반 복합재를 생산하기 위한 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 가공 중 금속 기반 복합재에서 그래핀 응집 문제를 해결하기 위해.
• ARB의 필름 이론을 활용하여 알루미늄 내 GNPs의 분산과 인터페이스 결합을 향상시키기 위해.
• 결과로 얻어진 GNPs/Al 복합재의 기계적 성질, 즉 강도, 경도 및 연성 등을 평가하기 위해.
• XRD, 라만 스펙트로스코피 및 SEM 분석을 통해 미세구조의 변화와 기계적 성능 간의 상관관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 냉간 처리된 알루미늄 시트에 최대 6회에 걸쳐 열적 누적압연(ARB)을 적용하였다.
• 첫 번째 및 두 번째 압연 공정 동안 알루미늄 시트 사이에 그래핀 플레이트렛을 코팅하여 인터페이스 혼합을 확보하였다.
• ARB의 필름 이론을 활용하여 층 간 미세 수준의 혼합을 촉진함으로써 GNPs의 응집을 감소시켰다.
• X선 회절(XRD) 데이터는 윌리엄슨-홀 플롯을 사용하여 비틀림 밀도 증가를 정량화하기 위해 분석하였다.
• 가교 단면에서 라만 분광법을 수행하여 GNPs의 품질과 알루미늄 기반과의 상호작용을 평가하였다.
• 일반적인 테스트기계(UTM)와 비커스 마이크로경도 측정기로 기계적 시험을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 ARB 공정이 그래핀 플레이트렛을 응집 없이 알루미늄 기반 내에서 효과적으로 분산시킬 수 있는가?
• RQ2 ARB의 필름 이론에 기반한 인터페이스 혼합이 GNPs/Al 복합재의 기계적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 라만 스펙트럼 변화를 통해 나타나는 GNPs-알루미늄 기반 상호작용의 정도는 어떠한가?
• RQ4 비틀림 밀도 증가와 관측된 강화 효과 간의 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ5 다수의 ARB 압연 공정 후 GNPs/Al 복합재의 파손 거동과 연성의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 6회 ARB 공정 후 GNPs/Al 복합재는 순수 알루미늄 대비 항복강도가 73% 향상되었다.
• 효율적인 GNPs 분산과 인터페이스 강화로 인해 복합재의 경도가 약 27% 향상되었다.
• 라만 분광법 결과, 대칭적인 2D 밴드와 증가한 D 및 D' 밴드가 관찰되어 알루미늄 기반과의 강한 상호작용이 확인되었다.
• SEM을 통한 파손면 분석에서 깊고 길쭉한 딱지형 상처와 매끄러운 표면이 관찰되어 강도 향상에도 불구하고 연성 감소 원인을 설명할 수 있었다.
• 윌리엄슨-홀 플롯을 통한 분석 결과, 비틀림 밀도가 뚜렷이 증가하였으며, 이는 관측된 강화 효과의 직접적인 원인로 확인되었다.
• 복합재는 상당한 연성을 유지하여 강도와 성형성 간의 유리한 균형을 확보하였다.