劉 洋，李 雷，歷長云，許 磊，米國發(fā)

1)河南理工大學材料科學與工程學院，焦作 454000

2)上海電機學院材料學院，上海 201306

3)中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)工學院，克拉瑪依 834000

自從2004年被英國曼徹斯特大學物理學家Novoselov等[1]采用膠帶剝離法成功制備以來，石墨烯以其獨特的性能引發(fā)了全球性的研究熱潮。石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的正六邊形蜂窩狀二維材料，具有優(yōu)異的力學性能（楊氏模量可達1 TPa，斷裂強度約130 GPa）[2]、熱學性能（導熱系數(shù)約5000 W?m?1?K?1）[3]和電學性能（電子遷移率達200000 cm2?V?1?s?1[4]，電導率約108S?m?1[5]），是室溫下最好的導體材料。石墨烯的這些優(yōu)異性能使其可廣泛應用于結(jié)構(gòu)增強、導電、防腐、半導體、新能源等領(lǐng)域[6]。單層石墨烯具有較大的比表面積（理論計算表面積為2630 m2?g?1[7]）和高的比強度[2]，因其納米片具有特有的褶皺結(jié)構(gòu)，增強增韌機理有別于其它增強體材料，所制備的復合材料在提升強度的同時，不會犧牲其塑性性能[8]，因此，石墨烯被認為是理想的新型金屬基復合材料的增強體材料[8?9]。隨著科研人員對石墨烯材料研究的深入，其作為增強體材料已被廣泛應用于陶瓷[10?11]、高分子樹脂[12]和金屬[6,13]等材料中，以獲得高強高韌性或功能性復合材料。

鋁合金及鋁基復合材料具有低密度、高比強度及比模量，優(yōu)異的導熱、導電及延展性能，廣泛應用于航天航空、汽車、電子封裝和輸電等領(lǐng)域。鋁?石墨烯復合材料作為金屬基復合材料中的一個重要研究方向，因其低密度、高強度、良好的導熱導電性能，在航天航空、汽車、電子封裝和輸電等領(lǐng)域具有極大的應用前景[14?17]。隨著制備技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，鋁?石墨烯復合材料的制備工藝也越來越豐富，通過制備工藝來實現(xiàn)鋁?石墨烯復合材料力學、電學和熱學性能的可控，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)成為科研人員的目標[18?20]。目前對鋁?石墨烯復合材料的研究多集中在力學性能和強韌化機理方面，對導熱、導電性能及其機理研究較少。鮮有文章將鋁?石墨烯復合材料的力學性能和導電性能進行綜合分析，探討其作為架空導線在輸電領(lǐng)域的應用前景。本文對鋁?石墨烯復合材料的制備工藝進行了概述，對其力學性能和電學性能進行了分析，探討了其作為架空導線的應用前景及面臨的困難，并提出了未來可能的研究方向。

1 鋁?石墨烯復合材料制備的工藝及挑戰(zhàn)

石墨烯納米相作為金屬基復合材料的理想增強體具有獨特的優(yōu)勢。與其它鋁基復合材料相比，鋁?石墨烯復合材料在提升材料強度的同時，能夠保持鋁基體良好的延展性、導熱和導電性能，是最具潛力的新型金屬基復合材料之一[21?24]。作為金屬基納米復合材料的重要組成部分，鋁?石墨烯復合材料的制備過程面臨諸多挑戰(zhàn)[25]，如增強體的均勻分散，增強體與基體間的界面反應及結(jié)合強度，石墨烯增強體的強化取向等；其中一部分挑戰(zhàn)源于材料的固有性質(zhì)，而另一部分則與制備工藝相關(guān)。通過調(diào)整制備工藝流程及后處理工藝可以解決部分難題，但制備出增強體均勻彌散、無有害界面反應、各向同性的鋁?石墨烯納米復合材料仍然面臨的巨大挑戰(zhàn)。

1.1 鋁?石墨烯復合材料的制備工藝

近十年來，石墨烯增強金屬基復合材料的制備工藝一直是研究熱點。成分和結(jié)構(gòu)決定了材料的性能，復合材料的成分由其基體和增強體決定，而其結(jié)構(gòu)則與制備工藝密切相關(guān)。材料領(lǐng)域工作者為了研究鋁?石墨烯復合材料的性能，嘗試了各種不同的制備工藝，主要分為固態(tài)法和液態(tài)法兩大類，如圖1所示。固態(tài)法制備鋁?石墨烯復合材料首先需要將鋁粉和石墨烯納米相混合均勻，制備成混合粉末，再經(jīng)熱壓燒結(jié)[26]、熱擠壓[27]、熱等靜壓、高壓扭轉(zhuǎn)[28]、半固態(tài)燒結(jié)[29?30]、等離子燒結(jié)[31?32]等成型工藝制備成復合材料。液態(tài)法制備鋁?石墨烯復合材料分為壓力浸滲法[33]和熔融鑄造法[34?35]。壓力浸滲法需先制備出混合粉末，室溫下預壓成型，然后將預熱后預制塊置于純鋁液中，在壓力作用下使鋁液向預制塊內(nèi)部浸滲，從而獲得石墨烯增強鋁基復合材料。熔融鑄造法是先將純鋁熔融，在攪拌過程中加入石墨烯，通過超聲分散使石墨烯在鋁液中分散均勻，最后冷卻成型得到鋁?石墨烯復合材料。

圖1 鋁?石墨烯常見制備方法Fig.1 Common preparation methods of the Al?graphene composites

1.2 鋁?石墨烯復合材料制備面臨的挑戰(zhàn)

石墨烯作為重要的新型納米增強體材料，其優(yōu)異的力學、導熱和導電性能深受各個領(lǐng)域關(guān)注。在金屬基復合材料領(lǐng)域，石墨烯多以其高的斷裂強度和獨特的褶皺結(jié)構(gòu)對基體材料起到增強增韌作用。多數(shù)石墨烯增強金屬基復合材料在保持良好塑性情況下，力學性能得到了顯著提升，但仍無法達到各項性能的理論值。鋁?石墨烯復合材料也遇到了其它碳材料增強鋁基復合材料所面臨的難題[36]：①增強體分散不均勻，石墨烯納米片因其特有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相互作用，使其在基體中難以均勻分散，石墨烯含量較高時易于出現(xiàn)團聚現(xiàn)象[27]，造成復合材料缺陷增加，性能下降；②增強體與基體之間界面結(jié)合情況難以控制，一方面，石墨烯與鋁之間潤濕性差，難以形成良好的結(jié)合界面，另一方面，制備過程中石墨烯易與鋁基體發(fā)生界面反應，生成Al4C3相[37]，但Al4C3相的含量及尺寸難于控制，影響載荷傳遞，會對復合材料力學性能產(chǎn)生不良影響。

1.2.1 石墨烯的有效分散

石墨烯是由單層碳原子組成的二維晶體，由于其熱力學的不穩(wěn)定性，無論何種狀態(tài)下的石墨烯表面都存在微觀尺度的褶皺[38]。這種獨特的三維結(jié)構(gòu)、納米尺寸效應以及與基體較差的潤濕性，都使石墨烯更易發(fā)生團聚，難以分散均勻。研究表明，可通過機械攪拌、高能球磨、表面改性以及液相分散等多種工藝相互配合來制備石墨烯均勻分散的混合粉末。綜合來看，制備混合粉末工藝可分為球磨攪拌分散、液相攪拌分散和表面預處理攪拌分散三種。

球磨攪拌分散依靠的是機械力來使石墨烯分散均勻，主要以球磨工藝作為基礎(chǔ)，按照球磨條件的不同，又可以分為低溫球磨和高能球磨兩種。Yan等[39]將石墨烯和鋁粉分散在無水乙醇中，采用低速球磨和機械攪拌結(jié)合的工藝制備混合粉末。Li等[27]則采用機械混合與液氮低溫球磨工藝相結(jié)合制備出石墨烯分散均勻的混合粉末。在液相狀態(tài)下，低的球磨溫度不但解決了石墨烯的團聚難題，還有效避免了球磨過程中石墨烯與基體間的界面反應。肖瑞[40]的研究表明，在固相狀態(tài)下，球磨轉(zhuǎn)速為300 r/min時，石墨烯可以附著在鋁粉表面，形成良好的包覆效果；當轉(zhuǎn)速過低（<200 r/min）時，石墨烯發(fā)生團聚現(xiàn)象；轉(zhuǎn)速過高（400～500 r/min）則會破壞石墨烯結(jié)構(gòu)。

液相攪拌分散和表面預處理攪拌分散都是利用氧化石墨烯本身含有大量官能團的特性，使其在攪拌過程中吸附在鋁顆粒表面，從而實現(xiàn)石墨烯均勻分散的目的。液相攪拌分散是將鋁顆粒和氧化石墨烯分散在液相中，通過高速攪拌使它們之間形成靜電吸附，從而實現(xiàn)氧化石墨烯均勻分散在鋁顆粒表面[24,41]。

表面預處理攪拌分散是先對鋁粉表面進行預處理，使其表面形成能與氧化石墨烯相互吸附的薄膜，改善鋁粉與氧化石墨烯間的潤濕性，在液相攪拌過程中使氧化石墨烯均勻分散?；谙嗷ノ阶饔玫脑恚砻骖A處理攪拌分散可以分為兩類：第一類是氫鍵吸附。Wang等[9]在鋁微薄片表面引入親水的聚乙烯醇（PVA）膜，然后向鋁粉水溶液中逐滴加入氧化石墨烯分散液，通過機械攪拌使氧化石墨烯與鋁粉間形成良好吸附效果，達到均勻分散目的，最后加熱使改性劑分解并還原氧化石墨烯得到石墨烯包覆效果良好的混合粉末。第二類是靜電相互作用吸附。齊天嬌等[42]在鋁顆粒表面引入十六烷基三甲基溴化銨膜，使鋁粉顆粒表面帶有正電荷，然后向鋁粉水溶液中逐滴加入帶負電荷的氧化石墨烯膠體，通過攪拌使氧化石墨烯吸附在鋁顆粒表面，制成混合粉末。圖2為表面預處理攪拌分散制備混合粉末示意圖。

圖2 表面預處理分散工藝制備混合粉末流程圖Fig.2 Flowchart of the mixed powders by the surface pretreatment and dispersion process

1.2.2 石墨烯與鋁基體間的界面結(jié)合

對于含碳材料增強鋁基復合材料而言，鋁?碳界面反應的控制一直是提升鋁基復合材料力學性能的關(guān)鍵。研究人員認為碳（如碳纖維和碳納米管等）/鋁體系中的增強體與基體界面反應生成Al4C3陶瓷相，破壞了增強體結(jié)構(gòu)完整性，由于Al4C3不穩(wěn)定，遇水易分解，造成界面結(jié)構(gòu)缺陷，影響增強體與基體間載荷的有效傳遞，不能完全發(fā)揮增強體力學性能的增強效果。最早關(guān)于鋁?石墨烯復合材料的研究制備是由美國貝尼特實驗室于2011年開始的，Bartolucci等[43]采用球磨、熱等靜壓和擠壓等工藝方法制備出了Al?0.1%石墨烯復合材料 （質(zhì)量分數(shù)），復合材料的強度和硬度低于純鋁基體，研究認為是復合材料中產(chǎn)生的Al4C3脆性相對材料的力學性能造成了不利影響。趙雙贊等[32]也通過放電等離子燒結(jié)（spark plasma sintering，SPS）技術(shù)研究了燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間對石墨烯增強鋁基復合材料力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)在560 ℃和590 ℃下，隨燒結(jié)時間從4 min延長到8 min，界面處都生成針狀Al4C3脆性相，并認為這是造成復合材料拉伸性能下降的原因。Li等[37]研究了含質(zhì)量分數(shù)0.25%、0.50%、1.00%石墨烯的增強鋁基復合材料，發(fā)現(xiàn)隨石墨烯質(zhì)量分數(shù)增至1.00%，復合材料抗拉強度下降，研究認為是Al4C3質(zhì)量分數(shù)的增加造成了復合材料拉伸性能的下降。

近年來，有關(guān)碳/鋁體系中界面反應與力學性能關(guān)系的研究已經(jīng)取得了新的進展，通過適當?shù)慕缑娣磻恍纬商蓟锛{米結(jié)構(gòu)被認為是在碳/鋁體系中獲得強有力化學界面的有效途徑。對于鋁?石墨烯復合材料而言，適當?shù)慕缑娣磻瑯涌梢垣@得良好的結(jié)合界面，實現(xiàn)增強載荷的有效轉(zhuǎn)移，充分利用石墨烯增強體的力學性能優(yōu)勢。Zhou等[24]首次演示了通過適當?shù)慕缑娣磻獊砀纳票邮?Al復合材料的界面載荷傳遞和強度，并且獲得了良好的電學性能。Yu等[44]也認為少量的界面反應可以提高界面的結(jié)合強度，通過調(diào)整球磨工藝來控制界面結(jié)合，從而實現(xiàn)對鋁?石墨烯復合材料力學性能的調(diào)控。Zhou等[45]在碳納米管增強鋁基復合材料中也發(fā)現(xiàn)了相似的Al4C3相連接碳納米管和鋁基體結(jié)構(gòu)，為復合材料力學性能提升提供了助力。因此，提升鋁?石墨烯復合材料的力學性能還需要對其界面反應進行深入研究。

2 鋁?石墨烯復合材料的力學和導電性能

2.1 力學性能

鋁基復合材料種類繁多，多數(shù)研究集中于提升材料的力學性能，傳統(tǒng)鋁基復合材料抗拉強度的提升多以犧牲材料延展性為代價。在新一代碳材料增強鋁基復合材料中，以碳納米管和石墨烯增強鋁基復合材料最受關(guān)注。這兩類復合材料在提升材料抗拉強度的同時，不會犧牲基體材料的延展性，甚至因其獨特的結(jié)構(gòu)還可以提升材料的延展性，從而使得鋁基復合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學性能。目前對鋁?石墨烯復合材料力學性能的研究較多，并且取得了較大進展。在不同實驗條件下，鋁?石墨烯復合材料相關(guān)力學性能數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同實驗條件下的鋁?石墨烯復合材料力學性能Table 1 Mechanical properties of the aluminum-graphene composites under the different experimental conditions

通過表1中數(shù)據(jù)可以看出，在純鋁基體中加入少量的石墨烯納米相，不僅可以有效的提升鋁基復合材料的抗拉強度，并且保持了良好的延展性。通過對比不同實驗條件下鋁?石墨烯復合材料抗拉強度和屈服強度發(fā)現(xiàn)，石墨烯質(zhì)量分數(shù)同為0.5%的鋁基復合材料，在不同制備條件下，其抗拉強度的增幅多集中于20%左右，但其屈服強度波動幅度較大，這不僅與基體材料純鋁的性質(zhì)和制備工藝有關(guān)，還與石墨烯的性能密切相關(guān)，不同片層厚度的石墨烯納米片具有顯著的性能差異[46]。由此可見，鋁?石墨烯復合材料的力學性能不是簡單的取決于石墨烯納米片含量。

Khan等[47]研究了不同含量石墨烯納米相 （GNPs）增強6061Al基復合材料的力學性能及T6熱處理對不同石墨烯納米相含量的GNPs/6061Al力學性能的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在6061Al合金中加入質(zhì)量分數(shù)0.1%石墨烯納米相，復合材料抗拉強度達到225 MPa，相比基體 （180 MPa）提升了25%；隨著石墨烯納米相質(zhì)量分數(shù)增加，其抗拉強度先上升后急劇下降，并在1.0%GNPs處達到最大值265 MPa；T6時效熱處理后的GNPs/Al復合材料的抗拉強的變化趨勢與未經(jīng)熱處理復合材料抗拉強度變化趨勢一致，也在1.0%GNPs處達到最大值290 MPa。

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)GNPs/Al復合材料及T6熱處理后的抗拉強度[47]Fig.3 Tensile strength of GNPs/Al composites with different mass fractions and T6 after heat treatment[47]

綜上可知，在純鋁基體中摻入少量的石墨烯納米相作為增強體可以提升鋁?石墨烯復合材料的抗拉強度，并能保持鋁基體的延展性。同樣在鋁合金材料中摻入適量的石墨烯納米相也可以提升其力學性能，還可以通過人工時效等熱處理工藝對復合材料組織結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，獲得更優(yōu)異的力學性能。

2.2 電學性能

目前鋁?碳復合材料多是以力學性能研究為主，用于結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)；對其功能性的研究主要集中在導熱性能方面，探討其在電子封裝等領(lǐng)域的應用[36]。實際上，碳材料增強鋁基復合材料在導電性能方面有巨大優(yōu)勢，相較于其它鋁基復合材料，碳納米管增強鋁基復合材料因其獨特的電子傳輸方式，賦予了復合材料優(yōu)異的導電性能。

Tokutomi等[48]認為碳納米管為晶界處提供了電子的“高速通道”，降低了碳納米管增強鋁基復合材料界面處的電阻，使得復合材料的電導率達到了64.2%IACS，超過了基體純鋁電導率。同碳納米管一樣，石墨烯也具有優(yōu)異的力學性能和電學性能，鋁?石墨烯復合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的電學性能。Chyada等[35]認為石墨烯是一種提高輸電線路導電性的很有前途的材料，采用熔融鑄造法制備出了鋁?石墨烯復合材料，并通過冷軋和時效熱處理等工藝獲得了導電性能超過基體材料的鋁石墨烯復合材料細線。Zhou等[24]通過研究發(fā)現(xiàn)，采用放電等離子燒結(jié)工藝制備出來的鋁?石墨烯復合材料具有良好的導電性和更高的應用溫度范圍，綜合性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金，在導電領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。鋁?石墨烯復合材料電學性能相關(guān)研究數(shù)據(jù)信息如表2所示。從表2可以看出，薄層石墨烯增強鋁基（FLG/Al）復合材料中加入薄層石墨烯后，導電率略有下降。一般而言，材料中晶格畸變所引起的導電電子散射使得材料產(chǎn)生電阻，導體材料中的雜質(zhì)、缺陷、合金元素以及細小彌散的增強體顆粒都會使晶格畸變程度增加，電阻增大。因此，在鋁基體中加入少量的石墨烯納米片相當于引入了微小的雜質(zhì)顆粒，且石墨烯納米片并非完整的石墨烯，其中包含空位、未還原官能團等缺陷，這些都會引起晶格畸變，使復合材料導電性降低。

從表2還可以看出，在純鋁基體中加入質(zhì)量分數(shù)0.50%Gr后，時效處理對復合材料導電性能影響較大。時效處理后，復合材料導電率甚至優(yōu)于基體材料；鋁?石墨烯復合材料在冷加工后通過時效熱處理可以顯著提其電導率，200 ℃時效處理1 h后的電導率提升了9.9%，隨時效熱處理時間增長，電導率輕微降低并趨于平穩(wěn)。時效熱處理可以使基體材料中沉淀凝聚，形成位錯胞和亞晶界，降低位錯密度，減小晶格畸變。鋁?石墨烯復合材料在冷軋和冷拉拔等冷加工變形過程中會發(fā)生晶粒變形、位錯增殖，晶格畸變顯著增大；時效熱處理可以使基體發(fā)生回復和再結(jié)晶，位錯線發(fā)生移動、重排、相互抵消，降低位錯密度，使晶格畸變顯著降低，從而使復合材料的導電率顯著增加。由以上研究結(jié)果可知，添加質(zhì)量分數(shù)0.50%石墨烯對基體材料導電率負面影響小，經(jīng)過合適的加工工藝甚至能夠提高其導電率，而其抗拉強度能夠比基體提高50%左右，這就為制備高強高導鋁?石墨烯材料提供了可能。

表2 鋁?石墨烯復合材料電學性能[24,35]Table 2 Electrical properties of the aluminum?graphene composites[24,35]

鋁?石墨烯復合材料時效處理后導電率上升，除了石墨烯導電率優(yōu)于純鋁及基體材料發(fā)生回復再結(jié)晶這些原因，還可能與石墨烯與鋁基體之間形成的有利位向有關(guān)。有利的位向關(guān)系有可能形成類似于碳納米管的結(jié)構(gòu)，帶來導電增強效應，因此，石墨烯增強鋁基體結(jié)合界面的位向關(guān)系及導電效應還需要進一步試驗研究和機理探究。

3 鋁?石墨烯線材在導線方面的應用前景

我國電力資源集中分布于西部能源豐富地區(qū)，而東部城市對電力資源需求量較大，因此長距離、大跨度的高壓、特高壓輸電線路的建設已成為國家能源戰(zhàn)略。由于鋁的高導電率和優(yōu)良的耐腐蝕性能，目前國內(nèi)外常用的高架高壓輸電導線主要是鋁合金導線。純鋁具有較高的電導率（可達到64.94%IACS），但其抗拉強度較低（不超過80 MPa）[49]，無法滿足工程應用需求，故一般采用鋁合金導線，最常用的是Al?Mg?Si系、Al?Zr系和Al?Mn系合金，主要通過固溶、時效和加工硬化工藝來提高合金抗拉強度。但在提高導線抗拉強度時，導線的電導率往往顯著降低，從而使得輸電效能下降，能耗增加。Khan等[47]研究表明，在6061Al中摻入質(zhì)量分數(shù)0.5%和1.0%的石墨烯納米相，不僅材料抗拉強度分別提升了56%和80%，其電導率也分別提升了3.3%和4.6%；當石墨烯納米相摻入量達到3.0%時，材料抗拉強度和電導率因石墨烯的團聚而顯著降低。因此，在鋁基體中加入適量的石墨烯納米相，可以不以犧牲其導電性能為代價來提升基體的抗拉強度。

表3所示是常見的7種高空導線的力學和導電性能。通過表中數(shù)據(jù)看出，當前常用的架空輸電導線電導率普遍低于60%IACS，抗拉強度雖然從160 MPa到380 MPa不等，但隨著抗拉強度提升，電導率大幅度降低。這種現(xiàn)象對于大規(guī)模、長距離、大容量的輸電線路而言，其能耗將會是巨大的。如果可以制備出高強高導的鋁基復合材料，在提升鋁基體力學性能的同時保持其優(yōu)異的導電性能，將對環(huán)保節(jié)能事業(yè)有重大意義。Chyada等[35]采用熔融鑄造工藝，將質(zhì)量分數(shù)0.5%的石墨烯納米粒子摻入到熔融純鋁（99.5%）溶液中，澆筑成石墨烯增強鋁基復合材料棒材，經(jīng)冷軋制成直徑為3.5 mm的金屬絲，并進行了人工時效處理。研究結(jié)果表明，在回收的廢鋁線中摻入質(zhì)量分數(shù)0.5%石墨烯后制備成線材，在適宜條件下進行人工時效處理1 h，其抗拉強度和導電率分別為180 MPa和63.4%IACS，相比于未時效處理的基體線材分別提升了168% （67 MPa）和8.7%（58.3%IACS）。對比表3中幾種常見的架空導線抗拉強度和導電性能指標不難發(fā)現(xiàn)，鋁?石墨烯復合材料細線的抗拉強度雖然只有180 MPa，僅比鋁絞線抗拉強度稍高，但其導電率遠高出這幾類常見的架空導線。因此，鋁?石墨烯復合材料在不犧牲基體導電性能的同時提高其抗拉強度仍具有較大的開發(fā)研究空間，這是其他傳統(tǒng)鋁基復合材料或鋁合金所難以達到的性能優(yōu)勢。

表3 常見架空導線的力學及導電性能[50]Table 3 Mechanical and electrical conductivity performance of the common overhead conductors[50]

這些研究結(jié)果都表明鋁?石墨烯復合材料在高強高導材料領(lǐng)域具有巨大的潛力，通過適當?shù)墓に噮?shù)和步驟，在不犧牲材料延展性的情況下，可達到提升材料的抗拉強度的目的，有望使得鋁?石墨烯復合材料在導電材料領(lǐng)域的到廣泛應用。

4 結(jié)語與展望

石墨烯作為新一代碳基增強填料，不僅能提高純鋁的力學性能，而且可以保持其優(yōu)異的導電性能，學者們已在這一領(lǐng)域取得了部分積極成果。鋁?石墨烯復合材料在高強高導性能方面潛力巨大，是高強高導架空導線的新型替代材料之一，具有巨大的市場前景，但要實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應用尚有很長的路，有很多技術(shù)性難題需要解決。

（1）獲得高品質(zhì)、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定、性能一致的石墨烯是鋁?石墨烯復合材料產(chǎn)業(yè)化的前提條件之一。由于單層石墨烯制備工藝復雜、成本高，與鋁的潤濕性較差，目前復合材料多采用薄層氧化石墨烯納米相作為增強體，通過在復合材料制備過程中還原得到石墨烯增強金屬基復合材料。石墨烯納米片的性質(zhì)受石墨層數(shù)影響較大，其層數(shù)從1層到10層不等，不同品質(zhì)的石墨烯納米片作為增強體可能會得到性能顯著差異的復合材料。因此，獲得大批量、穩(wěn)定品質(zhì)的石墨烯有助于鋁?石墨烯復合材料的應用與推廣。

（2）對制備方法和工藝參數(shù)等的研究需要進一步完善和創(chuàng)新。實現(xiàn)石墨烯在鋁基體中均勻分散和高度取向是制備高性能復合材料的核心問題之一，目前多是采用高能球磨、顆粒表面改性等方法來達到石墨烯均勻分散的目的，但這些常規(guī)工藝方法不能大量制備混合粉末，從而限制了鋁?石墨烯復合材料的產(chǎn)業(yè)化，需要改進混粉工藝，開發(fā)新的混粉設備。另一方面，目前鋁?石墨烯復合導線的制備工藝大都為熔鑄法、熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓法、熱擠壓法等，都屬于單爐、單次間歇式生產(chǎn)，不能大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)。因此，需要開發(fā)能夠連續(xù)化、大規(guī)模生產(chǎn)的新工藝。液相混粉工藝和連續(xù)冷壓成形工藝理論上具有量產(chǎn)的潛力，適當?shù)母倪M有望成為鋁?石墨烯復合材料產(chǎn)業(yè)化的巨大助力。

（3）鋁?石墨烯復合材料的組織結(jié)構(gòu)、界面控制等需要深入研究，石墨烯與鋁基體之間的結(jié)合、位向關(guān)系、界面反應機理等尚不清晰，需要進一步探索，目前，對石墨烯的增強機理研究較多，但對導電影響機理的研究尚淺，需要加強對導電機理的研究，這將有助于鋁?石墨烯復合材料在導體材料領(lǐng)域的應用推廣。