石墨烯增强金属基块体复合材料的制备技术

2019-02-11叶煜松江炜曹霞沈琰张丹丹

世界有色金属 2019年16期

叶煜松，江炜，曹霞，沈琰，张丹丹

（常州工学院，江苏常州 213032）

金属基复合材料综合性能良好，已经在交通、电力电子、航空航天等领域占有举足轻重的地位。其中，石墨烯增强金属基复合材料是当前研究的热点。石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的二维材料，具有表面积大、电子迁移率高、导热性好、力学强度高等特点。在过去近十年中，研究人员对石墨烯增强金属基复合材料进行了深入的研究和开发，绝大多数报道指出分散均匀且与基体结合良好的石墨烯能够明显改善复合材料的性能。

按照加工过程中金属基体的状态，可将金属基复合材料的制备技术分为固相和液相两类。前者是通过烧结金属和增强体的混合粉末制备块体复合材料，而后者是将增强体添加到液态金属基体中后冷却结晶获得复合材料。本文总结了石墨烯（及其衍生物）增强金属基复合材料的制备技术。

1 石墨烯增强金属基复合材料制备的固相技术

粉末冶金法是用于制备金属基复合材料的经典方法，制备温度较低，工艺成熟、简单，已被广泛地应用于石墨烯增强金属基复合材料的研究和生产中。粉末冶金法的基本步骤包括增强体与金属基体粉末混合，混合粉末预压和生坯的烧结成形加工等。石墨烯在基体中的分散程度很大程度上取决于混合粉末的制备过程，而石墨烯和基体之间的界面结合则可能受到混粉和烧结工艺的影响。

1.1 传统粉末冶金法

在传统粉末冶金法中，一般采用球磨的方式制备石墨烯与金属基体的混合粉末。

Chu等[1]通过3h的高速球磨（1200rpm）将不同含量的石墨烯GNPs添加到铜粉中，并利用预压、真空热压烧结制备出GNPs/Cu复合材料。当GNPs的体积分数为8%（对应的质量分数约为2.1wt.%）时，复合材料的屈服强度和弹性模量分别比纯铜提高了114%和37%。

Yue等[2]利用球磨（400rpm）将氧化石墨烯GO和铜粉混合，并通过真空热压烧结制备出石墨烯增强铜基复合材料。当石墨烯含量仅仅为0.5wt.%时，复合材料的抗拉强度就比纯铜提高了28%。但当石墨烯含量达到1wt.%后就会发生严重的团聚，复合材料的力学性能反而比纯铜还要低。

1.2 新型粉末冶金法

为使石墨烯在金属基体中更均匀的分散并获得良好的界面结合，研究人员改进了传统粉末冶金法。

Wang等[3]提出一种片状粉末冶金法，利用表面包裹一层PVA的片状铝粉在溶液中吸附GO，通过还原、预压、烧结、挤压等工艺制备出石墨烯增强铝基复合材料。当石墨烯的添加量为0.3wt.%时，复合材料的抗拉强度为249MPa，比纯铝（154MPa）提高了62%。

通过化学反应原位生成石墨烯与金属的混合粉末，不仅能够有效改善石墨烯的分散程度，更有利于提高石墨烯与基体之间的界面结合强度。Hwang等[4]采用了一种分子水平混合法，通过化学反应，将GO与铜盐的混合溶液还原，获得还原氧化石墨烯rGO和Cu的复合粉末，再通过放电等离子烧结制备出块体复合材料。当rGO体积分数为2.5%（约为0.6 wt.%）时，rGO/Cu复合材料的抗拉强度和弹性模量为335 MPa和131 GPa，均比纯铜提高了约30%。Chen等[5]采用PMMA为石墨烯前驱体，通过原位反应制备了石墨烯/铜复合粉末，并利用热压烧结制备出块体复合材料。当石墨烯质量分数为0.95%时，复合材料的屈服强度和抗拉强度为144MPa和274MPa，分别比纯铜提高了177%和27.4%。Cao等[6]同样通过还原PMMA结合热压烧结的方法制备了石墨烯/铜复合材料。这种原位生长石墨烯的方式能够有效避免使用氧化石墨烯及结构损伤。

2 石墨烯增强金属基复合材料制备的液相技术

液相技术是制备石墨烯增强金属基复合材料的一种重要手段。某种程度上和传统铸造工艺相似，适用于制备大尺寸复合材料。

2.1 搅拌熔铸法

搅拌熔铸法是基于传统铸造工艺，向液态金属中加入石墨烯，并通过搅拌使石墨烯均匀分散。Rashad等[7]利用搅拌铸造技术，将GNPs粉末加入到液态镁合金AZ31中并不断搅拌，之后将混合液体倒入钢模中自然结晶，铸造坯料经热挤压制备出GNPs/AZ31块体复合材料。当GNPs的

含量为3 wt.%时，复合材料的拉伸应变和压缩强度分别比AZ31合金提高了约29%和20%。

2.2 搅拌摩擦法

搅拌摩擦法类似于搅拌摩擦焊，通过摩擦搅拌对复合材料表面区域加工，可进一步提高石墨烯的分散程度。Chen等[8]首先利用搅拌铸造法将GNPs添加到液态金属镁中，并将液态混合物铸造成薄板复合材料，但是发现石墨烯分散效果并不理想。他们利用搅拌摩擦法对该复合薄板进行二次加工，进一步改善了GNPs在金属基体中的分散程度。Jeon等[9]先将浓度15 mg/ml的GO水溶液胶质涂敷到5052-H32铝合金基体表面，通过搅拌摩擦法在加工区域得到了石墨烯增强铝合金复合材料，该加工区域在250 ℃的热导率比合金基体提高了15%以上。