粉煤灰-石墨烯-6061Al复合材料的制备及摩擦磨损性能研究

粉煤灰-石墨烯-6061Al复合材料的制备及摩擦磨损性能研究摘要：本文采用粉煤灰、石墨烯和6061铝合金作为原料，制备了一种新型复合材料。通过SEM、XRD等测试手段对该复合材料进行了表征，同时还对其摩擦磨损性能进行了研究。结果表明，将粉煤灰、石墨烯分别掺入6061铝合金中，可以显著提高复合材料的硬度和耐磨性，其中石墨烯的填充量和分布状态对复合材料的摩擦磨损性能具有重要影响。本文对该复合材料的制备及摩擦磨损性能研究提供了一定参考价值。

关键词：复合材料，粉煤灰，石墨烯，6061铝合金，SEM，XRD，摩擦磨损性能

一、前言

铝合金作为应用广泛的结构材料，具有密度低、强度高、导热性能好等优点，在汽车、航空航天、轨道交通、电子电器等领域得到了广泛应用。同时，铝合金也存在一些缺点，如低硬度、低耐磨性等。因此，开发新型的铝合金复合材料，提高其整体性能和耐久性，具有重要意义。

粉煤灰作为一种工业废弃物，资源丰富，不仅能有效降低其对环境的污染，还可以成为复合材料中一种重要的填充材料。石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，具有较高的强度、刚度和导电性能，在复合材料中起到了增强耐磨性能的作用。

本文采用粉煤灰、石墨烯和6061铝合金为原料，制备了一种新型复合材料，并对其摩擦磨损性能进行了研究，旨在探究粉煤灰和石墨烯在铝合金中的填充状态和分布状态对其磨损性能的影响，为该复合材料的应用提供理论依据。

二、实验方法

1.材料制备

本文所采用的6061铝合金、粉煤灰和石墨烯的原料分别为：铝锭（Al：Mg：Si=98：1.5：0.6）、粉煤灰（细度小于45μm）、石墨烯（纯度为99%）。将粉煤灰和石墨烯分别添加到6061铝合金中，并在熔炼炉中进行高温熔化混合，然后采用压铸成型工艺，将其溅射成所需尺寸的试样。

2.表征测试

采用SEM、XRD等测试手段对制备的复合材料进行表征，通过扫描电镜观察其微观结构，利用X射线衍射分析仪研究其晶体结构和相组成。

3.摩擦磨损性能测试

采用环境扫描电镜及磨损试验机对样品的摩擦磨损性能进行测试，其中磨损试验机采用双盘式摩擦磨损试验机，试验时间为30min，负载为5N，速度为200rpm，流量为120ml/min。

三、结果与讨论

1.SEM表征

SEM图像显示，在纯铝合金中，铝晶粒的尺寸较大，晶边清晰；而在添加粉煤灰和石墨烯后，铝晶粒更加细小，并且晶界处出现了显著的晶间间隙，其中石墨烯的添加量对晶间间隙的影响更加明显。

2.XRD分析

XRD结果显示，样品的主要成分为铝和Al2O3，其中铝的晶格结构与纯铝相同，且添加粉煤灰和石墨烯后未发现新的晶体相形成，表明添加过程中未产生明显的化学反应。

3.摩擦磨损性能测试

摩擦磨损性能测试结果如图所示。与纯铝相比，添加粉煤灰和石墨烯后复合材料的磨损率下降了5倍以上，说明样品的耐磨性能有了明显提高。其中，石墨烯的填充量和分布状态对样品的耐磨性能影响较大，填充量过多或分布不均匀会对样品的力学性能和摩擦特性产生不利影响。

四、结论

本文采用粉煤灰、石墨烯和6061铝合金制备了一种新型复合材料，并对其摩擦磨损性能进行了研究。结果表明，添加粉煤灰和石墨烯可以显著提高复合材料的硬度和耐磨性能，其中石墨烯的填充量和分布状态对样品的耐磨性能影响较大。本文对该复合材料的制备及摩擦磨损性能研究提供了一定参考价值，同时也为类似的铝合金复合材料的研究提供了新的思路和方向通过本文的研究，我们可以得出以下几点结论：

首先，通过SEM图像观察可以发现，添加粉煤灰和石墨烯后，铝晶粒变得更加细小，晶界处出现了显著的晶间间隙，其中石墨烯的添加量对晶间间隙的影响更加明显。这说明添加粉煤灰和石墨烯可以优化铝合金的晶体结构，并且能够影响晶界的形态和分布。

其次，XRD分析结果显示，添加粉煤灰和石墨烯后未发现新的晶体相形成，表明添加过程中未产生明显的化学反应。这意味着粉煤灰和石墨烯并没有改变铝合金的化学成分，而是通过物理方式在铝合金中形成了复合材料。

最后，摩擦磨损性能测试结果显示，添加粉煤灰和石墨烯后复合材料的耐磨性能明显提高，磨损率下降了5倍以上。石墨烯的填充量和分布状态对样品的耐磨性能影响较大，填充量过多或分布不均匀会对样品的力学性能和摩擦特性产生不利影响。这说明添加粉煤灰和石墨烯可以有效地改善铝合金的耐磨性能，并且这种改善是可控的。

综上所述，本文的研究表明，粉煤灰和石墨烯可以用于制备铝合金复合材料，并且能够显著提高复合材料的硬度和耐磨性能。石墨烯的填充量和分布状态对样品的性能影响较大，这为材料设计和制备提供了一定的参考依据。同时，本文的研究也为类似的铝合金复合材料的研究提供了新的思路和方向未来的研究可以进一步深入探究粉煤灰和石墨烯对铝合金复合材料性能的影响机理，例如晶体结构和晶界的变化、导电性能和组织的微观结构等方面。此外，可以考虑添加其他的纳米材料或者在石墨烯表面修饰不同的官能团，进一步改善铝合金复合材料的性能。还可以对复合材料的制备工艺和成本进行优化和研究，以提高复合材料在实际工程领域的应用价值。最后，可以探究铝合金复合材料在不同环境条件下的性能表现，例如高温、低温、湿度等，为复合材料的应用范围提供更多的拓展此外，对于铝合金复合材料的其他应用领域，如航空航天、汽车制造、建筑和船舶等领域，可以进行针对性的研究和探索。例如，针对航空航天领域需要高强度、轻量化的材料的需求，可以研究开发具有更高强度和更轻质的铝合金复合材料，以满足航空航天领域的需求。

此外，针对汽车制造领域的需求，可以研究开发更好的防腐蚀和耐磨损的铝合金复合材料，以提高汽车使用寿命和降低维修成本。在建筑领域，可以探索铝合金复合材料在外墙或者屋顶的使用，以提高建筑的防水性能和保温性能。

此外，针对船舶领域的需求，可以研究开发更好的耐腐蚀和防水性能的铝合金复合材料，以提高船舶使用寿命和降低维修成本。

综上所述，针对铝合金复合材料的研究可以从不同角度出发，探究不同领域的需求，从而逐步优化材料性能和制备工艺。随着科技的进