安浩誠(chéng)

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)具有優(yōu)良性能的金屬及合金材料的需求量逐漸提高，對(duì)其性能的要求也逐漸加強(qiáng)，從而促進(jìn)了金屬基復(fù)合材料的發(fā)展，這其中以鋁基復(fù)合材料最為廣泛。以sp2結(jié)合的石墨烯是一種新型的二維材料，其具有導(dǎo)電性強(qiáng)、導(dǎo)熱性強(qiáng)、優(yōu)良的力學(xué)性能以及良好的自潤(rùn)滑性等優(yōu)點(diǎn)成為鋁基合金材料中重要的增強(qiáng)體。而純鋁及鋁合金塑性韌性及導(dǎo)電導(dǎo)熱性較好，同時(shí)熔點(diǎn)低，耐磨性較差的使其無(wú)法廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)石墨烯增強(qiáng)的烯鋁合金的導(dǎo)熱性、耐磨性以及強(qiáng)度都有顯著的提升。本文綜述了石墨烯增強(qiáng)鋁合金的作用機(jī)理以及現(xiàn)有的制備方法和研究進(jìn)展，介紹了經(jīng)石墨烯增強(qiáng)后烯鋁合金的性能。

一、石墨烯

石墨烯只是石墨的單層，是一種碳的同素異形體，由碳原子結(jié)合得到，其結(jié)構(gòu)為二維六邊形晶格。自2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim等[1]首次通過(guò)交代粘接的微機(jī)械剝離法成功制備出穩(wěn)定存在的石墨烯，便引起廣泛關(guān)注。它是目前已知最薄的材料，同時(shí)也是最硬的材料。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和力學(xué)性能。使其具有優(yōu)異的面內(nèi)彈性模量(0.5-1.0TPa)[2]和抗拉強(qiáng)度(130GPa)[3]。由于石墨烯表面的疏水特性，僅有少量的研究是直接利用石墨烯來(lái)制備石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的[4-5]。

二、石墨烯-鋁基復(fù)合材料

Bartolucci等[7]最先開(kāi)展石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備研究，利用熱壓燒結(jié)與擠壓變形結(jié)合的方法制備出石墨烯-鋁基復(fù)合材料，但由于界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性Al4Cl3，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。Wang等[18]首次通過(guò)粉末冶金的方法制得石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，當(dāng)石墨烯納米片的層數(shù)在5層時(shí)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%的情況下，得到的鋁基復(fù)合材料性能優(yōu)異，并且拉伸強(qiáng)度達(dá)到249MPa，比鋁基體增加了62%。

三、混合粉體制備方法

球磨:

球磨干混法指的是鋁粉和石墨烯在干燥并且無(wú)溶劑的情況下進(jìn)行球磨混合的方法。Bastwros等[6]將石墨烯與Al6061粉末在無(wú)保護(hù)氣體的環(huán)境下進(jìn)行球磨。結(jié)果表明，球磨時(shí)間與石墨烯在鋁粉中的分散程度成正比，并且隨著球磨時(shí)間的增加石墨烯的層數(shù)也有所減少。

Bartolucci等[6]通過(guò)1050℃下的高溫下對(duì)氧化石墨進(jìn)行還原和剝離，得到石墨烯，然后將石墨烯與鋁粉進(jìn)行混合，混合過(guò)程中加入硬脂酸作為過(guò)程控制劑，硬脂酸的加入有效的抑制了石墨烯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

燕紹九等[8]通過(guò)球磨濕磨法制備了石墨烯鋁混合粉體。測(cè)試表明：經(jīng)過(guò)球磨后，鋁顆粒變?yōu)楸馄綘?，石墨烯與鋁有較好的界面結(jié)合，石墨烯的褶皺形貌保存完好。

四、烯鋁合金材料制備方法

粉末冶金法是利用鋁及其合金粉末和石墨烯粉末的混合物作為原料，經(jīng)過(guò)固態(tài)壓實(shí)，燒結(jié)制備得到復(fù)合材料的制備方法。

燕紹九等人[8]將配比混合好后的石墨烯和鋁合金粉末裝進(jìn)鋁合金包套中進(jìn)行除氣處理，并焊接封口；制備得到的復(fù)合材料與基體相比較，其抗拉強(qiáng)度提高了25%，屈服強(qiáng)度提升了58%。從XRD檢測(cè)結(jié)果可以看出試樣中不存在Al4C3。從TEM的結(jié)果看，石墨烯與鋁基體結(jié)合良好。

熔融攪拌鑄造法是將石墨烯或改性石墨烯直接加入鋁及其合金的熔融液體中，充分?jǐn)嚢韬箬T造成型的方法。

管仁國(guó)等人[12]將熔化的鋁液中加入表面附銅的石墨烯，進(jìn)行機(jī)械攪拌鑄造，從而制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。通過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在復(fù)合材料中出現(xiàn)了石墨烯的嚴(yán)重團(tuán)聚。研究表明由于單質(zhì)銅和氧化銅與石墨烯之間的連接不牢固，在攪拌熔鑄過(guò)程中脫離了石墨烯，致使石墨烯發(fā)生了團(tuán)聚。

攪拌摩擦法是借助攪拌摩擦加工過(guò)程中的強(qiáng)塑型變形，使石墨烯或氧化石墨烯和基體材料混合，均勻分散在鋁基體中。

五、烯鋁合金的性能

馬會(huì)中等通過(guò)真空球磨處理混合粉末后，采用放電等離子燒結(jié)的方法，并進(jìn)行硬度測(cè)試表明，復(fù)合材料的硬度隨石墨烯添加量先增加后減小。

馬會(huì)中等采用納米壓痕儀測(cè)試不同石墨烯含量的試樣彈性模量，隨著石墨烯含量現(xiàn)增加后減小。