李建軍，齊浩天，房官尚，杜曉明

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

鋁基復(fù)合材料由于具有較好的機(jī)械性能和物理性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事和電子封裝等領(lǐng)域。近年來隨著材料性能要求的不斷增高，許多研究人員投入到鋁基復(fù)合材料的研究中，其主要手段是通過向鋁合金當(dāng)中加入顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)相來提高鋁基復(fù)合材料的整體性能，通過這種方式所增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料的性能就與增強(qiáng)相的性能密切相關(guān)[1-4]。

隨著石墨烯被發(fā)現(xiàn)，這種由碳原子組成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)納米材料所表現(xiàn)的優(yōu)異機(jī)械性能和物理性能，被研究人員認(rèn)為是理想的增強(qiáng)相材料，廣泛應(yīng)用到鋁基復(fù)合材料的研究當(dāng)中[5]。通過石墨烯對(duì)鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)，使力學(xué)性能和耐磨性能均得到明顯的提高，但也出現(xiàn)了新的問題。由于石墨烯存在較大的表面積，極易形成團(tuán)聚簇，難以在鋁基體中均勻分散。團(tuán)聚簇的形成使得石墨烯對(duì)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)化十分有限，同時(shí)在受到載荷作用時(shí)，裂紋容易在團(tuán)聚簇內(nèi)部形成并擴(kuò)展到基體，對(duì)基體造成損害。為了解決這一問題，研究人員使用了很多辦法。Gao等[6]通過使用靜電組裝的方式，將石墨烯和鋁粉顆粒分別帶有不同的電荷，在膠體溶液中均勻分散，制備了鋁基復(fù)合材料；結(jié)果表明，該種方法得到的鋁基復(fù)合材料擁有較好的力學(xué)性能。此外，很多研究人員通過向石墨烯增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料中加入陶瓷顆粒，如SiC[7]、Al2O3[8]等，這種方法能夠?qū)p弱石墨烯的團(tuán)聚起到一定作用。

在本研究中，通過向石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中添加定量的SiC納米顆粒，來改善石墨烯的分散狀態(tài)。通過與石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比，探究SiC納米顆粒對(duì)石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)相分散均勻性、致密度、微觀結(jié)構(gòu)和硬度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

基體合金為Al7075(Al-Zn-Mg-Cu)粉末(10μm，北京宏宇材料有限公司)。增強(qiáng)相為石墨烯片(厚度為3～10nm，直徑為5～10μm，南京先豐納米材料科技有限公司)和SiC納米顆粒(粒徑為800 nm，上海云浮納米科技有限公司)。通過高能球磨混料和真空熱壓方法制備了4種鋁基復(fù)合材料樣品。詳細(xì)的制備過程已經(jīng)在以前的研究中報(bào)道[9]。4種樣品中所包含的石墨烯和SiC納米顆粒含量分別為0.25wt%、0.25wt%、0.50wt%、1.00wt%和0wt%、0.50wt%、0.50wt%、0.50wt%。所有復(fù)合材料樣品均經(jīng)470℃固溶體處理2h，然后在冷水中淬火。淬火樣品在140℃下時(shí)效16h。

通過光學(xué)顯微鏡(200TAM，上海，中國)觀察增強(qiáng)相在基體中的分散均勻性情況。使用配有能譜EDS的TESCAN掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的表面形貌。通過阿基米德法測量鋁基復(fù)合材料的致密度。用維氏硬度計(jì)(HVS-50，上海，中國)測量樣品的維氏硬度。負(fù)載為9.8N，停留時(shí)間為10s，每個(gè)樣品測量5次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 均勻性

圖1為4種不同鋁基復(fù)合材料的光學(xué)顯微鏡金相組織圖。在圖1a中，存在十分明顯的黑色斑點(diǎn)，即為石墨烯團(tuán)聚簇，其中最大的團(tuán)聚簇可達(dá)到約20μm，由于鋁基復(fù)合材料中石墨烯含量較低，團(tuán)聚簇出現(xiàn)的數(shù)量較少。在圖1b中，黑色斑點(diǎn)仍然存在，并未出現(xiàn)明顯的大面積聚集。此外黑色斑點(diǎn)更加細(xì)小，相比于圖1a增強(qiáng)相分布更加均勻。這是由于加入了0.50wt%的SiC納米顆粒，在高能球磨的過程中打破了石墨烯團(tuán)聚簇，使石墨烯分散更加均勻，同時(shí)引入的SiC納米顆粒使鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)相含量增高，造成黑色斑點(diǎn)出現(xiàn)的數(shù)量增加。在圖1c中，黑色斑點(diǎn)仍然存在，細(xì)小且十分均勻，與圖1b的分布情況十分相似，并未出現(xiàn)如圖1a中較大的石墨烯團(tuán)聚簇。在圖1d中，相比于圖1b和圖1c，黑色斑點(diǎn)的尺寸增加，形成少量尺寸較大的石墨烯團(tuán)聚簇，這主要是由于鋁基復(fù)合材料中石墨烯含量的大量增高。相比于圖1a，石墨烯團(tuán)聚簇的尺寸仍然較小。這說明SiC納米顆粒的加入對(duì)改善石墨烯的團(tuán)聚情況有一定作用，但隨著石墨烯含量的增加，改善的效果逐漸下降。

圖1 鋁基復(fù)合材料的光學(xué)顯微鏡金相組織圖

2.2 致密度

圖2為鋁基復(fù)合材料的致密度曲線圖。對(duì)比含有0.25wt.%石墨烯和含有0.25wt.%石墨烯、0.50wt.%SiC納米顆粒的鋁基復(fù)合材料的致密度情況，可以發(fā)現(xiàn)：SiC納米顆粒的加入提升了鋁基復(fù)合材料的致密度，使鋁基復(fù)合材料中孔隙率減少。此外在石墨烯、SiC納米顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，隨著石墨烯含量的增加，鋁基復(fù)合材料的致密度仍呈現(xiàn)下降趨勢。這與已報(bào)道的文獻(xiàn)中結(jié)果相同[10]。

圖2 鋁基復(fù)合材料的致密度曲線圖

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

圖3所示為鋁基復(fù)合材料的表面形貌。圖3a是只含有0.25wt.%石墨烯鋁基復(fù)合材料樣品的掃描電鏡形貌，從圖3中能夠清晰看到晶粒的邊界，圖中的插圖是對(duì)應(yīng)區(qū)域EDS線掃描中C元素的含量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)晶粒邊界處的C元素含量遠(yuǎn)高于晶粒內(nèi)，表明石墨烯主要分布于晶界處。圖3b、3c和3d是SiC納米顆粒含量均為0.50wt.%且石墨烯含量分別為0.25wt.%、0.50wt.%和1.00wt.%的鋁基復(fù)合材料掃描電鏡形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，在晶粒邊界處存在增強(qiáng)相，這表明在粉末冶金的工藝情況下，鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相主要分布于晶粒邊界處。同時(shí)，相比于圖3a，含有SiC納米顆粒的鋁基復(fù)合材料存在較少的孔洞，這表明其具有較小的孔隙率和較高的致密度。這與致密度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖3 鋁基復(fù)合材料的表面形貌SEM圖片

2.4 硬度

圖4為鋁基復(fù)合材料的維氏硬度情況。在以前的研究中[11]，以同樣方法制備的7075鋁合金的硬度為92±4.6 HV。相比而言，鋁基復(fù)合材料的硬度均得到提高，其主要原因是：(1)石墨烯作為增強(qiáng)相，在與鋁基體結(jié)合后，將其優(yōu)異的硬度性能賦予了基體，使基體硬度得到提高[11]；(2)由于在鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)相與基體具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)，在制備過程中受熱而形成熱失配，從而導(dǎo)致位錯(cuò)密度的提高，使鋁基復(fù)合材料的硬度得到增強(qiáng)[12]；(3)增強(qiáng)相的存在相當(dāng)于在基體中出現(xiàn)大量的第二相，可以有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使鋁基復(fù)合材料抗變形能力增強(qiáng)，進(jìn)而提高硬度。

圖4 鋁基復(fù)合材料的維氏硬度

對(duì)比含有0.25wt.%石墨烯和含有0.25wt.%石墨烯、0.50wt.%SiC納米顆粒的鋁基復(fù)合材料的硬度情況，可以發(fā)現(xiàn)：加入SiC納米顆粒后，鋁基復(fù)合材料的硬度得到明顯增強(qiáng)，這是因?yàn)镾iC納米顆粒的加入使石墨烯分散更加均勻，改善了石墨烯對(duì)鋁基體的強(qiáng)化效果，同時(shí)SiC納米顆粒作為陶瓷顆粒，具備較高的硬度，也會(huì)帶來鋁基復(fù)合材料硬度的提高。隨著石墨烯含量的增加，硬度呈現(xiàn)上升趨勢，但上升程度逐漸減緩。這是由于鋁基體中石墨烯含量增高，造成鋁基復(fù)合材料位錯(cuò)密度和抗變形能力的進(jìn)一步增強(qiáng)，進(jìn)而提高了硬度。但是石墨烯含量的增高導(dǎo)致了鋁基復(fù)合材料致密度的下降，提高了孔隙率，對(duì)基體也造成了一定損害，使鋁基復(fù)合材料硬度的上升程度逐漸減緩。

3 結(jié)論

本文通過高能球磨和真空熱壓燒結(jié)的方法制備了石墨烯和石墨烯、SiC納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并探究了其均勻性、致密度、微觀結(jié)構(gòu)及硬度情況，并得出以下結(jié)論。

(1)SiC納米顆粒的加入改善了石墨烯的團(tuán)聚情況。隨著石墨烯含量的增加，改善的效果逐漸下降。

(2)SiC納米顆粒的加入提升了鋁基復(fù)合材料的致密度，使鋁基復(fù)合材料中孔隙率減少。隨著石墨烯含量的增加，鋁基復(fù)合材料的致密度仍呈現(xiàn)下降趨勢。

(3)在粉末冶金的工藝情況下，鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相主要分布于晶粒邊界處。

(4)加入SiC納米顆粒后，鋁基復(fù)合材料的硬度得到明顯增強(qiáng)，隨著石墨烯含量的增高，硬度逐漸上升，但上升趨勢減緩。