烯铝合金研究进展

安浩诚

(重庆交通大学 重庆 400074)

引言

随着科学技术的进步和工业化进程的不断加快，对具有优良性能的金属及合金材料的需求量逐渐提高，对其性能的要求也逐渐加强，从而促进了金属基复合材料的发展，这其中以铝基复合材料最为广泛。以sp2结合的石墨烯是一种新型的二维材料，其具有导电性强、导热性强、优良的力学性能以及良好的自润滑性等优点成为铝基合金材料中重要的增强体。而纯铝及铝合金塑性韧性及导电导热性较好，同时熔点低，耐磨性较差的使其无法广泛的应用。经过石墨烯增强的烯铝合金的导热性、耐磨性以及强度都有显著的提升。本文综述了石墨烯增强铝合金的作用机理以及现有的制备方法和研究进展，介绍了经石墨烯增强后烯铝合金的性能。

一、石墨烯

石墨烯只是石墨的单层，是一种碳的同素异形体，由碳原子结合得到，其结构为二维六边形晶格。自2004年英国曼彻斯特大学的Geim等[1]首次通过交代粘接的微机械剥离法成功制备出稳定存在的石墨烯，便引起广泛关注。它是目前已知最薄的材料，同时也是最硬的材料。石墨烯具有优异的导热性、导电性和力学性能。使其具有优异的面内弹性模量(0.5-1.0TPa)[2]和抗拉强度(130GPa)[3]。由于石墨烯表面的疏水特性，仅有少量的研究是直接利用石墨烯来制备石墨烯增强金属基复合材料的[4-5]。

二、石墨烯-铝基复合材料

Bartolucci等[7]最先开展石墨烯增强铝基复合材料制备研究，利用热压烧结与挤压变形结合的方法制备出石墨烯-铝基复合材料，但由于界面反应产生脆性Al4Cl3，使得复合材料的力学性能降低。Wang等[18]首次通过粉末冶金的方法制得石墨烯增强铝基复合材料，当石墨烯纳米片的层数在5层时、质量分数在0.3%的情况下，得到的铝基复合材料性能优异，并且拉伸强度达到249MPa，比铝基体增加了62%。

三、混合粉体制备方法

球磨:

球磨干混法指的是铝粉和石墨烯在干燥并且无溶剂的情况下进行球磨混合的方法。Bastwros等[6]将石墨烯与Al6061粉末在无保护气体的环境下进行球磨。结果表明，球磨时间与石墨烯在铝粉中的分散程度成正比，并且随着球磨时间的增加石墨烯的层数也有所减少。

Bartolucci等[6]通过1050℃下的高温下对氧化石墨进行还原和剥离，得到石墨烯，然后将石墨烯与铝粉进行混合，混合过程中加入硬脂酸作为过程控制剂，硬脂酸的加入有效的抑制了石墨烯的团聚现象。

燕绍九等[8]通过球磨湿磨法制备了石墨烯铝混合粉体。测试表明：经过球磨后，铝颗粒变为扁平状，石墨烯与铝有较好的界面结合，石墨烯的褶皱形貌保存完好。

四、烯铝合金材料制备方法

粉末冶金法是利用铝及其合金粉末和石墨烯粉末的混合物作为原料，经过固态压实，烧结制备得到复合材料的制备方法。

燕绍九等人[8]将配比混合好后的石墨烯和铝合金粉末装进铝合金包套中进行除气处理，并焊接封口；制备得到的复合材料与基体相比较，其抗拉强度提高了25%，屈服强度提升了58%。从XRD检测结果可以看出试样中不存在Al4C3。从TEM的结果看，石墨烯与铝基体结合良好。

熔融搅拌铸造法是将石墨烯或改性石墨烯直接加入铝及其合金的熔融液体中，充分搅拌后铸造成型的方法。

管仁国等人[12]将熔化的铝液中加入表面附铜的石墨烯，进行机械搅拌铸造，从而制备了石墨烯增强铝基复合材料。通过检测，发现在复合材料中出现了石墨烯的严重团聚。研究表明由于单质铜和氧化铜与石墨烯之间的连接不牢固，在搅拌熔铸过程中脱离了石墨烯，致使石墨烯发生了团聚。

搅拌摩擦法是借助搅拌摩擦加工过程中的强塑型变形，使石墨烯或氧化石墨烯和基体材料混合，均匀分散在铝基体中。

五、烯铝合金的性能

马会中等通过真空球磨处理混合粉末后，采用放电等离子烧结的方法，并进行硬度测试表明，复合材料的硬度随石墨烯添加量先增加后减小。

马会中等采用纳米压痕仪测试不同石墨烯含量的试样弹性模量，随着石墨烯含量现增加后减小。