石墨烯增强铝基复合材料的研究进展

李欣虎 王颖 马鹏兴

摘  要：铝及铝合金作为资源最丰富、使用最常见的金属材料之一，在社会各个行业都有着很多的应用，它具有很多的优点，如质量轻、密度小、成本低廉等。而且，铝基复合材料比强度和比刚度较高，并具有良好的高温性能，以及耐疲劳、耐磨性等。因此，铝基复合材料是目前金属基复合材料中应用最广泛的材料之一。其所具有的优良性能使得铝基复合材料已经成为材料学的研究热点，但由于其增强相的不同对其性能有着较大的改变，该文围绕铝基复合材料这一课题，在对制备工艺认识的基础上，着重探讨了增强项添加的不同对其性能的影响问题。

关键词：铝基复合材料  增强相  制备工艺

中图分类号：TB333   文献标识码：A            文章编号：1672-3791（2019）05（b）-0003-03

1  铝基复合材料

铝基复合材料具有耐磨、塑性好、质量轻及加工简便等特点，广泛应用于汽车、電子、通信、航空、航天、军事以及电子仪表等行业[1，2]。国内外众多科学家从20世纪末期就开始对该类铝基复合材料进行研发，并在其工艺制备方法、力学性能、实际应用等方面取得许多先进性成果，加快了铝基复合材料的发展，在工业生产中大量应用。

1.1 纤维增强

纤维增强复合材料是复合材料的一种，它是由增强纤维材料与基体材料经过各种成型工艺加工而形成的复合材料，常见的如玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、硼纤维复合材料等。这种复合材料不仅保留了基体材料的优秀性能，并且能通过复合效应来得到增强体的优异性能，在纤维增强复合材料中这3个组成相起着各不相同的作用：纤维是用来起承载作用;树脂是传载作用和连接纤维;界面作为纤维和树脂基体连接的桥梁，同时也承载着应力及其他信息的传递作用[3]。纤维增强复合材料具有比强度高、抗损伤性能强、耐腐蚀性能好、热膨胀系数与混凝土的相近以及可设计性强等较于其他材料没有的特性，因此复合材料成为材料研究的新宠。目前，纤维增强复合材料被广泛应用于各大工业及生活等领域中。

在对复合材料的研究进程中，也出现了很多便捷的制备方法，石川等人采用激光熔覆制备连续纤维作为增强体。熔覆过的材料表面最高硬度与没有经过熔覆的材料相比，硬度提升3倍。Hu等[4]探究了采用CVD法在Al2O3纤维表面沉积六方氮化硼（h-BN）涂层对NiAl基复合材料的影响，研究结果表明没有涂层的界面具有高的剪切强度（230～250MPa），而有h-BN涂层的纤维与基体界面因生成了分布在晶界的AlB12，复合材料的剪切强度降低为75MPa。高嵩等[5]为了研究通过在硼酸得作用下，Cu镀层被镀在碳纤维表面制备的C/Cu复合丝的分散情况，使用了化学镀再电镀的方法。研究发现：在加入硼酸少量的情况下，复合材料的性能没有太大，如果加入过多，则会大大降低铜的氧化程度，通过碳纤维含量的增加可以增大其抗拉强度，最高可达到50%以上，但同时会影响其可塑性。

1.2 颗粒增强

周超羡等[6]为研究原位自生6%TiB2/7050复合材料微观组织，试验结果表明，原位自生陶瓷颗粒弥散分布在基体中。何伟等[7]制备出了原位镁基复合材料，结果表明：原位生成的增强项热力学稳定性好，与金属基体相容性好，使得两者结合更加牢固。原位生成的颗粒尺寸小，分布更加均匀，能显著提高材料的强度、韧度、硬度、高温性和弹性模型。胡志等[8]采用高能超声法制备了纳米SiC颗粒增强镁基复合材料，纳米SiC颗粒含量对其伸长率和抗拉强度有显著增加。郝世明等[9]也对SiC颗粒增强铝基复合材料进行了研究，首先对原料通过适度的球磨处理，然后运用真空热压法方法来制备，设定热压温度为540℃，最终制得SiCp/6061Al复合材料。研究过程及结果显示：在制备过程中，SiC体积分数的增大导致了SiC颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度先增大后降低，而致密度以及热膨胀系数均有所下降。

2  颗粒增强铝基复合材料

2.1 氧化铝

颗粒增强铝基复合材料被广泛运用，主要因为两个方面，一是颗粒增强具有低廉的价格;二是常规方法就可以将它改造加工完成。但目前常采用的外加Al2O3增强铝基复合材料存在明显缺点，如：增强体颗粒尺寸大、热力学不稳定、界面结合强度低等，使得增强效果明显降低。任磊等人[10]采用粉末冶金法将氧化铝增添到钼基基体中随着氧化铝的加入，在其实验范围内的复合材料的布氏硬度得到显著提高，但当氧化铝增强相增加到20%时，增强相会发生团聚的现象，使得均匀度不高。付高峰等[11]采用无机盐热分解法向铸铝熔体中添加硫酸铝铵，使其热分解，产生的颗粒增强相是分解生成的，实验结果表明氧化铝颗粒均匀度良好、形成不团聚增强颗粒且呈球形形状，和没有增强合金比较，其片状共晶硅明显减少。

2.2 碳化硅

碳化硅颗粒增强铝基复合材料属于超硬陶瓷材料，具有高强度、高刚度、耐磨损、耐腐蚀等性能，已成为金属基复合材料成为了现如今的主要趋势。主要关注点在其创新设计和新技术发展研究之上，并试图利用粉末冶金技术、熔铸技术、压力浸渗技术和无压浸渗等技术制备出性能优良的颗粒增强型铝基复合材料[12-14]。张建军等[15]通过搅拌铸造技术制备出SiC体分比为10%碳化硅颗粒增强6168铝基复合材料，主要研究了其高温下的热变形行为，构建了关于双曲正弦模型的流变应力和真应变的热变形本构关系。吴海华等[16]利用选择性激光烧结技术和凝胶注模成型两种方法，以天然鳞片石墨和酚醛树脂的混合物为原件，后通过干燥，烧结等工艺获取石墨/莫开石复合材料，并对其力学性能和导热系数进行了研究总结。实验结果表明：烧结最后的莫来石相对密度最高可到80.4%，抗压强度和抗弯强度也明显升高，导热系数也达到了2.35（W/m·s）。可以看出经过处理后的复合材料，可以明显减少两者结合度不佳以及减少复合部分裂纹的现象，从而增强复合材料的界面稳定性。

2.3 石墨烯

石墨烯具有独特的结构[17]和超高的力学性能[18]，所以将石墨烯作为增强相来制备铝基复合材料，对维持复合材料的韧性和塑性都含有一定优势。管仁国等[19]将氧化石墨烯加入到硫酸铜溶液中使其中的铜离子吸附到氧化石墨烯表面，然后用化学方法还原得到石墨烯铜并将其加到熔化的纯铝熔体中，最后空冷熔体至室温获得了石墨烯增强铝基复合材料。结果表明：制备的石墨烯增强铝基复合材料的平均硬度基于纯铝提高了40%。Wang等[20]制备了0.3wt%石墨烯增强铝基复合材料，对力学性能研究发现，相比于纯铝，0.3wt%Graphene/Al复合材料的的抗拉强度从154MPa提高到259MPa，材料的断裂应变从27.5%减小到12.7%。Yan等[21]将制备的超细铝粉和少层石墨烯在乙醇中球磨混合，之后在110MPa下热等静压烧结2h。最后，将制得的坯料放入模具中热挤压得到复合材料，当石墨烯质量分数在0.5%左右时，抗拉强度提高了近50%。

3  发展前景和总结

石墨烯增强铝基复合材料已有广泛应用：作为结构材料应用于航空航天，汽车和运输行业;作为散热设备应用于电子领域。石墨烯由于其超高的强度和刚度可取代碳纤维和碳纳米管增强金属，且石墨烯具有超高的导电性和导热性能，可作为电子元件和散热设备应用于电子领域。石墨烯增强铝基复合材料的研究工艺还未成熟，所以暂不能实现商业化、规模化。但是我们相信，若克服加工过程的挑战，充分利用石墨烯的增强效果，一定可制备出性能最好的铝基复合材料。

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