高压扭转 (HPT) 设备提供了一种独特的机械解决方案，通过在高达数吉帕斯卡的压力下施加强烈的扭转剪切应变来制备石墨烯增强铝复合材料。该过程会引起严重的塑性变形，从而有效地打散石墨烯团聚物并将其分散在金属基体中，同时细化基体晶粒。
HPT 解决了增强材料分散性差和热降解的双重挑战。它依赖于机械剪切而非高温，从而实现纳米级晶粒细化和均匀的石墨烯分布，同时避免了传统加工中常见的有害界面反应。
分散的力学原理
施加吉帕斯卡级压力
HPT 的工作原理是将材料置于以数吉帕斯卡压力为特征的极端环境中。这不仅仅是压缩；高压可防止样品在强烈的变形过程中发生失效或开裂。
利用扭转剪切应变
HPT 的决定性特征是施加强烈的扭转剪切应变。与使用各向同性（均匀）压力的方法不同，HPT 会扭转材料。这种严重的塑性变形提供了在微观层面混合组分所需的机械能。
打散石墨烯团聚物
处理石墨烯时最困难的方面之一是其易于结块的倾向。HPT 产生的剪切力可有效打散这些石墨烯纳米片团聚物。该过程迫使单个片材均匀分散在整个铝基体中。
微观结构控制和细化
纳米级晶粒细化
除了分散之外，HPT 还是结构工程的强大工具。严重的变形将铝基体晶粒细化至纳米尺度。这种晶粒尺寸的减小显著增强了最终复合材料的机械性能。
低温加工
液态铸造或高温烧结等传统方法依赖热量来实现致密化。HPT 可以在较低温度下实现致密化。这一点至关重要，因为它能保持所涉及材料的完整性。
相对于传统方法的优势
防止界面反应
高温通常会引发铝基体与石墨烯增强材料之间不希望发生的化学反应。通过在较低温度下操作，HPT 可以防止这些有害的界面反应，确保复合材料保留所需的化学特性。
避免基体晶粒生长
热量会导致金属晶粒生长，这通常会削弱材料。由于 HPT 在实现致密化时不需要高热负荷，因此它可以有效防止基体晶粒生长，从而保持纳米结构提供的强度优势。
为您的目标做出正确选择
要确定 HPT 是否是您应用的正确加工路线，请考虑您的具体材料要求：
- 如果您的主要关注点是机械强度： HPT 是理想的选择，因为它能将晶粒细化至纳米尺度，同时确保通过分散的石墨烯实现载荷传递。
- 如果您的主要关注点是化学纯度： HPT 优于铸造，因为它能在不引起界面退化的高温下实现致密化。
HPT 将纳米复合材料的制备从热挑战转变为精确的机械工程过程。
总结表：
| 特性 | 传统加工 | 高压扭转 (HPT) |
|---|---|---|
| 机理 | 热/烧结 | 严重塑性变形 (SPD) |
| 分散性 | 易团聚 | 机械打散团聚物 |
| 晶粒尺寸 | 微米级 | 纳米级细化 |
| 温度 | 高温（有降解风险） | 低温加工 |
| 界面 | 潜在化学反应 | 最小化不希望发生的界面反应 |
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参考文献
- Yi Huang, Terence G. Langdon. The fabrication of graphene-reinforced Al-based nanocomposites using high-pressure torsion. DOI: 10.1016/j.actamat.2018.10.060
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
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