石墨烯增強金屬基復合材料的制備及應用研究進展

王劍橋，雷衛寧,2，薛子明，錢海峰，劉維橋,2

(1 江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001；2 江蘇省先進材料設計與增材制造重點實驗室，江蘇 常州 213001)

金屬基復合材料是一種以纖維、晶須或顆粒為增強相，與金屬或合金基體組成的復合材料。金屬基復合材料能夠通過添加不同的增強相獲得特殊的性能，這種可設計性使得金屬基復合材料具有廣闊的應用空間。目前，金屬基復合材料已廣泛應用于航空航天、汽車、電子和軍事等領域[1]。科學技術的迅猛發展，對材料的性能提出了各種新的要求，制備具有優異性能和獨特功能的金屬基復合材料是當前材料工程領域研究的熱點。

石墨烯是碳原子以sp2雜化構成的二維蜂窩狀單質材料，在室溫下可以穩定存在。具有優異物理性質和力學性能的石墨烯可以作為增強相應用于金屬基復合材料，以提升金屬材料的性能，滿足現代工業的迫切需求[2]。尤其是石墨烯具有優異的力學性能，是作為增強相提高復合材料強度的理想材料[3]。相對于傳統的增強相，石墨烯的高比表面積使得其在增強效率方面具有明顯的優勢。即使與同為先進碳質材料的碳納米管相比，石墨烯在基體中具有更強的穩定性和分散性，因而具有更高的增強效率。Li等[4]使用分子動力學模擬法比較了石墨烯和碳納米管增強多聚物的力學性能。結果表明，添加相同質量的增強相時，石墨烯增強多聚物復合材料的力學性能更優異，楊氏模量和拉伸強度比碳納米管增強多聚物分別提高了18%和8.7%。氧化石墨烯(GO)和還原性氧化石墨烯(rGO)由于含氧官能團的加入，具有良好的兩親性和分散性，也常作為增強相制備石墨烯增強金屬基復合材料(GRMMC)。近年來，石墨烯復合材料的研究取得了許多成果，已經應用在鋰電池、超級電容、催化劑、電磁材料、儲能材料和生物醫藥等領域[5-10]，而關于石墨烯增強金屬基復合材料的研究報道相對少些。本文主要綜述了石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法、性能以及應用的最新研究進展，分析了其中存在的主要問題并對石墨烯增強金屬基復合材料的發展趨勢進行了展望。

1 石墨烯增強金屬基復合材料的制備

隨著石墨烯制備方法的改進和生產成本的下降，關于石墨烯復合材料的報道越來越多。由于石墨烯與金屬基體之間存在著潤濕性差、容易發生界面反應、石墨烯在基體中分散性差等問題，石墨烯增強金屬基復合材料的研究成果較少。本文綜述了石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法，主要包括熔融冶金法、粉末冶金法、化學合成法和電沉積法，并總結了各種方法的優缺點和適用范圍，如表1所示。

表1 石墨烯增強金屬基復合材料制備方法的對比和適用范圍Table 1 Comparison and the scope of application of synthesis methods of graphene reinforced metal matrix composites

1.1 熔融冶金法

熔融冶金法是將增強相加入到熔融狀態的金屬或合金中，并且不斷進行攪拌使其充分混合從而獲得復合材料的方法。為了使納米顆粒充分分散到熔融狀態的金屬中，通常采用機械、電磁、超聲等方法進行攪拌。Chen等[11]將石墨烯納米薄片(GNPs)通過持續進給系統加入熔融狀態的鎂中，同時用超聲波探針分散GNPs，制得含有1.2%(體積分數)GNPs的石墨烯增強鎂基(Gr/Mg)復合物。該復合物的硬度相對純鎂材料提升了78%。Rashad課題組[12-13]使用分解熔融沉積法制備了GNPs增強Mg-6Zn 合金復合物。其工藝方法為將鎂錠在保護氣體中加熱到熔融狀態，然后依次加入一定量的Zn顆粒和GNPs并不斷攪拌，最后將熔融狀態的混合物倒入預先加熱的鋼模中固化成型。獲得的復合材料的硬度、屈服強度、極限抗拉強度均得到了顯著提升。An等[14]將GNPs，Al，TiH2用球磨法混合后制備得到發泡混合物，然后加入到熔融狀態的鋁中充分攪拌，最后用噴水法冷卻制得石墨烯增強發泡鋁復合材料。與常規發泡鋁復合材料相比，這種材料的平臺應力、能量吸收性能、比吸收能都有了很大提升。

由于金屬材料的熔點較高，高溫下長時間攪拌容易導致石墨烯和基體之間的界面反應，生成金屬氧化物和碳化物，導致材料脆性增加。同時，簡單的攪拌方法不能使增強相充分分散在基體中，石墨烯容易產生聚集，復合材料中氣孔較多，導致復合材料的性能降低。因此熔融冶金法多用于Mg，Al等熔點較低的金屬復合材料的制備。

1.2 粉末冶金法

粉末冶金法是工業實踐中常用的制備金屬粉末、金屬材料及其復合材料的方法。采用粉末冶金法制備石墨烯增強金屬基復合材料的基本步驟是：先將石墨烯或其氧化物粉末與金屬粉末充分混合，然后對復合粉末進行成型加工，最終得到所需復合材料。粉末冶金法具有工藝簡單、成本較低、增強體種類和含量可控等優點，因而被廣泛應用于GRMMC的制備中。Wang等[15]首次用粉末冶金法制備了石墨烯增強鋁基(Gr/Al)復合材料，當石墨烯的質量分數為0.3%時，其抗拉強度和屈服強度相對純鋁材料分別提升了62%和50%。Yan等[16]利用粉末冶金法制備了含有0.5%(質量分數)石墨烯的鋁合金復合材料，與相同方法制備的鋁合金相比，屈服強度從214MPa提高到了319MPa，同時延伸性未見衰減。

在粉末冶金的過程中，主要包括粉末混合工藝和成型工藝兩個部分。球磨工藝是一種常用的粉末混合方法，能夠顯著提升復合物的力學性能。圖1為Yue 等[17]使用球磨法制備石墨烯增強銅基(GO/Cu)復合材料的示意圖，發現球磨時間為5h、石墨烯質量分數為0.5%時，獲得的Gr/Cu復合材料的力學性能最好。繼續提高石墨烯含量時，石墨烯產生明顯的聚集，導致復合材料的力學性能降低、斷裂機制由韌性斷裂轉變為脆性斷裂。為了改善混粉過程中石墨烯在基體中的分散性，一些學者提出了表面改性處理的方法。Gao等[18]用十六烷基三甲基溴化銨對銅粉進行表面改性處理使其帶正電荷，然后和帶負電荷的GO懸浮液混合，采用靜電自組裝法制備了GO/Cu復合物粉末。Ju等[19]通過在GO和鋁粉懸浮液中添加Mg2+作為黏結橋，改進了石墨烯與基體之間的親和力與結合力，使得石墨烯在基體中的分散程度得到顯著的改善。

圖1 球磨法制備Gr/Cu復合材料的示意圖[17]Fig.1 Schematic of preparation of Gr/Cu composite by ball-milling method[17]

粉末冶金的成型工藝種類很多，主要包括熱壓成型、熱等靜壓、放電等離子燒結(SPS)等。不同的成型工藝會影響粉末成型過程中石墨烯和基體之間的界面結合，從而影響復合材料的性能。Kwon等[20]使用高能球磨法將GO粉末分散在AlMg5合金基底中，然后通過熱壓成型制備復合材料。當GO含量為1%(體積分數)時，復合材料的極限抗拉強度和硬度提升了近2倍，抗彎強度提升了4倍。Cao等[21]使用熱等靜壓法合成了石墨烯增強鈦基復合材料。加入0.5%(質量分數)的石墨烯時，該復合材料的抗拉強度和純鈦相比分別提升了12.3%，20.1%，14.6%。另外，激光燒結技術是一項新興的成型技術，也被用在制備GRMMC中。Hu等[22]使用激光燒結法制備了單層氧化石墨烯增強的鈦基復合材料，GO/Ti復合材料的平均硬度值比激光燒結鈦高3倍。粉末冶金法制備復合材料還存在不足，如石墨烯結構在壓力作用下易受到破壞，制備的復合材料致密度不易控制等問題，尚需進一步研究和解決。

1.3 化學合成法

化學合成法是利用增強相前驅體和金屬、金屬離子或金屬氧化物之間的化學作用合成復合材料。其最大的特點在于石墨烯是在反應過程中生成的，而不是直接和基體進行物理混合。因而制備的復合材料中石墨烯與基體之間的界面結合良好，石墨烯分散均勻。Liu等[23]利用葡萄糖和Ni離子鹽溶液進行化學氣相沉積(CVD)，制備得到了鎳納米顆粒修飾過的石墨烯納米薄片(Ni-GNPs)，然后將Ni-GNPs和6061鋁合金粉末進行混合，用粉末冶金法制備得到了Ni-GNPs增強鋁合金復合材料，制備過程如圖2所示。0.7%(質量分數)的增強相使該復合材料的屈服強度達到了140MPa、抗拉強度達到了213MPa，與原鋁合金材料相比分別提升了75%和30%。Yolshina等[24]提出了一種新的制造Gr/Al復合材料的方法。將金屬和非金屬的碳化物作為碳的添加劑，與堿金屬氯化物、金屬氟化物、鋁等一起放入氧化鋁坩堝中加熱至熔融狀態。通過控制合適的加熱溫度和時間，可以制備出硬度、強度、延展性、彈性等性能優異的石墨烯增強鋁基復合材料。在這種復合材料的制備過程中，石墨烯是在熔融階段一步生成的，有助于廉價地合成高性能的石墨烯增強鋁基復合材料。

另外，常用的化學合成法還包括水熱法和分子水平合成法。水熱法的基本原理是利用水作為溶劑，在高溫高壓的密封容器中進行化學反應。Zheng等[25]將AgNO3和GO水懸浮液混合，加入左手香葉提取物，然后在鋼制高壓釜內密封進行反應，得到了rGO/Ag復合材料。

圖2 原位CVD法和球磨-熱壓成型制備Ni-GNPs/6061Al復合物的示意圖[23]Fig.2 Schematic of the in-situ CVD and ball milling-hot pressing process for the fabrication of Ni-GNPs/6061Al composite[23]

分子水平合成法是指利用GO的官能團與金屬離子之間的相互作用，從而在基體中還原GO得到石墨烯增強的金屬基復合材料。Hwang等[26]首先使用分子水平混合法制備了Gr/Cu復合材料。他們將Cu鹽加入到GO的水溶液中混合，再通過H2還原GO得到rGO/Cu復合粉末。rGO含量為2.5%(體積分數)時，這種復合材料的抗拉強度、屈服強度相對于純銅分別提升了30%和80%。Zhao[27]將GO和NiCl2·6H2O在有機溶劑中超聲攪拌，然后加入還原劑混合，再將混合物轉移到高壓釜中高溫反應一定時間，冷卻至室溫后過濾沉淀物，最后通過SPS法制得rGO/Ni復合材料。

1.4 電沉積法

電沉積技術是制備高性能金屬基復合材料的常見方法之一，可以制備力學性能、耐磨性和耐腐蝕性等性能優異的鍍層材料[28]。電沉積法制備GRMMC在保留石墨烯結構完整性的基礎上改善其和基體之間的界面結合，因而可以提高復合材料的性能。電沉積法根據所選電源的不同分為直流電沉積和脈沖電沉積。脈沖電沉積由于可以通過控制波形、頻率、通斷比以及平均電流密度等參數來改善沉積層的性質，因而得到了廣泛的應用。Szeptycka等[29]使用電沉積法在Watt型鍍液中制備了Gr/Ni復合鍍層，并研究了復合鍍層在0.5mol/L NaCl溶液中的耐腐蝕性能。發現復合鍍層的腐蝕速率相比純鎳鍍層下降了85.7%。電沉積法制備金屬基復合材料也存在一定的局限性，它適用于基體材料容易從溶液中沉積出來的金屬或合金，同時制備得到的沉積層一般較薄，主要應用于關鍵零部件的涂層材料處理。

針對傳統電沉積法制備復合材料過程中存在的復合物不均勻、石墨烯易團聚等難題，本課題組Xue等[30]提出了一種超臨界條件下利用脈沖電沉積法制備石墨烯增強鎳基復合材料的方法。該方法的主要特點是將超臨界流體與脈沖電沉積技術相結合，使兩種技術的機理相互促進、協同互補，從而獲得性能更加優異的鍍層。超臨界流體具有優越的傳質性和混溶性，可以改善陰極附近的濃差極化現象，溶解沉積過程中析氫現象產生的氫氣，從而抑制鍍層表面氣孔、麻點等缺陷的產生，提高鍍層的均勻性和平整性，改善鍍層的性能。本課題組利用超臨界CO2輔助脈沖電沉積技術制備得到了氧化石墨烯含量為0.15g/L的rGO/Ni復合材料，其SEM形貌和XRD譜圖如圖3所示。與超臨界條件下制得的純鎳鍍層相比，復合材料的硬度提升了28%，達到了756.4HV，同時耐磨性更高。

2 石墨烯增強金屬基復合材料的應用

2.1 高強度材料

石墨烯具有優異的力學性能，其楊氏模量為1.02TPa，初始抗拉強度是已知材料中最高的，達到了130GPa[31]。以石墨烯作為增強相制備金屬基復合材料，可以提升復合材料的力學性能。復合材料中的石墨烯納米薄片能夠起到細化晶粒、阻礙位錯、傳遞載荷的作用，從而提高材料的強度和韌性。Latief等[32]研究了石墨烯含量和燒結溫度對Gr/Al復合材料力學性能的影響。如圖4所示，圖4(a)，(b)中的3條線段表示在不同燒結溫度下制得的樣品。當石墨烯質量分數從0%增加到5%時，復合材料的壓縮強度和硬度逐漸增大，同時密度減小，因而可以應用于高強度輕質復合材料中。需要注意的是，當石墨烯含量適當提高時復合材料強度絕對值得到提升，但強化效率將有所下降，這可能與石墨烯含量提高時，其分散程度降低有關[33-35]。

圖3 超臨界電沉積制備的Ni鍍層和rGO/Ni復合鍍層的比較[30](a)rGO/Ni的SEM圖；(b)Ni的SEM圖；(c)XRD譜圖Fig.3 Comparison of Ni coating and rGO/Ni composite coating prepared by supercritical electrodeposition[30](a)SEM image of rGO/Ni；(b)SEM image of Ni；(c)XRD pattern

圖4 Gr/Al復合材料的維氏硬度(a)和壓縮強度(b)[32]Fig.4 Vickers hardness(a) and compressive strength(b) of Gr/Al composites[32]

另外，石墨烯在提升石墨烯增強金屬基復合材料力學性能的同時，還可以起到潤滑劑的作用。石墨烯作為碳基材料，能夠在摩擦表面形成自潤滑膜，有效地降低摩擦因數，提高材料的耐磨性能。Algul等[36]使用脈沖電沉積法制備了Gr/Ni復合材料，并在不同的滑動速率下測試了復合材料的摩擦磨損性能。隨著滑動速率的增加，復合材料的磨損率和摩擦因數降低，具有良好的耐磨性。這種材料可以應用在高載荷和高滑動速率條件下的微器件涂層上。

2.2 導熱材料

無缺陷的單層石墨烯的導熱系數高達5300W/(m·K)，遠高于其他碳基材料。石墨烯作為載體時導熱系數雖然降低到了600W/(m·K)，但仍然高于純銅[37]。石墨烯這種優異的導熱性能使得石墨烯增強金屬基復合材料可以應用在導熱材料中。Kuang等[38]使用脈沖電沉積法制備了Gr/Ni復合鍍層，鍍層的熱導率隨著溫度的上升而降低，但仍然高于相同溫度下的純鎳鍍層。Zheng等和Jaganandham的課題組[39-40]研究了Gr/Ti復合材料的熱導率。結果表明，復合材料的宏觀熱導率是各向同性的，從純鈦的21W/(m·K)提高到40W/(m·K) 。該課題組還研究了退火處理對復合材料導熱率的影響。當退火溫度低于1073K時，復合材料的導熱率優于純鈦材料，因而Gr/Ti復合材料可作為優良的導熱材料加以應用。

目前，GRMMC應用在導熱材料上的報道較少，石墨烯對GRMMC導熱率的影響機制仍然有待進一步研究。Wejrzanowski等[41]通過數值模擬和實驗驗證，研究了Gr/Cu復合材料的導熱性能。模擬和實驗結果都表明，多層石墨烯薄片的體積分數、大小、方向和分布都會對金屬基復合材料的熱導率產生顯著的影響。復合材料的熱導率呈各向異性，垂直于片層的方向上導熱性最好。另外單層石墨烯薄片會對復合材料的熱導率產生負面影響。Chu等[42-43]利用真空過濾和SPS技術在Gr/Cu復合材料中實現了石墨烯的高度取向。30%(體積分數)石墨烯含量的復合材料面內導熱系數為458W/(m·K)，相對純銅提升了35%，同時熱脹系數為6.2×10-6K-1，相對純銅降低了64%。總之，GRMMC基于石墨烯優異的導熱性和低的熱膨脹系數，在導熱材料的應用上具有巨大的發展潛力。

2.3 導電材料

石墨烯是室溫下導電性最好的材料，其固有電子遷移率達到1.5×104cm2/(V·s)，在低溫驟冷等特殊條件下甚至可以達到2.5×105cm2/(V·s)[44]。當前的研究大都是將石墨烯作為增強相添加到陶瓷或聚合物中，而關于GRMMC導電性能的研究仍處在起步階段。單質金屬本身具有良好的導電性，而基體中的石墨烯片層會對GRMMC的導電性造成影響。Khobragade等[45]使用兩步熱處理法制備了Gr/Cu復合材料，然后用四探針法測量了復合材料的電導率。結果表明，石墨烯的體積分數從5%增加到15%時，復合材料的電導率最高為66% IACS，和純銅相比降低了32%。另一方面，Xie等[46]通過電沉積法制備的Gr/Cu復合薄膜的電阻率低于拋光銅箔與電沉積純銅薄膜，這可能是由于基體中rGO相對均勻的分散引起的。如果能夠實現石墨烯薄片在金屬基體中均勻分散和定向排列，將得到導電性更加優異的GRMMC材料。

基于石墨烯高的比表面積和電子遷移率，石墨烯負載貴金屬復合材料得到了廣泛的應用。一些研究者利用石墨烯負載貴金屬復合材料的優異性能，將這種材料作為增強相添加到金屬基體中，取得了許多研究成果，為制備導電性能優異的GRMMC提供了新思路。Luo等[47]使用負載銀的rGO增強銅基(Ag @rGO/Al)復合材料，這種復合材料的導電性和導熱性可以達到56.8m/Ω mm2和343.5W/(m·K)，和純銅相比分別提升了18.6%和21.8%。Liu等[48]制備了負載銅石墨烯增強鋁基(Cu@Gr/Al)復合材料，制備過程如圖5所示。這種復合材料可以應用在輕質高強鋼筋和儲能相關領域。

圖5 Cu@Gr/Al復合材料制備過程示意圖[48]Fig.5 Schematic of the preparation procedure of Cu@Gr/Al composite[48]

2.4 耐腐蝕材料

金屬腐蝕現象會破壞金屬構件的幾何形狀，降低金屬材料的服役性能。石墨烯具有很強的化學惰性、熱力學穩定性和抗氧化性，是一種抑制金屬腐蝕的理想材料。Parasai等[49]使用CVD法制備了Gr/Cu復合材料并研究了復合材料在硫酸鈉溶液中的耐腐蝕性。結果表明，復合材料與純銅相比具有更高的腐蝕電位和更低的腐蝕電流密度。Kumar等[50]使用電沉積法制備了Gr/Ni復合鍍層，使用電化學阻抗譜(EIS)研究了鍍層在NaCl溶液中的電化學行為。EIS分析表明復合鍍層和純鎳相比腐蝕電位更高，具有更好的耐腐蝕性能。

關于石墨烯對GRMMC耐腐蝕性的影響機制的研究仍然處于初始階段，也有研究者認為石墨烯會加快復合材料的腐蝕。Zhou等[51]通過實驗研究了Gr/Cu復合材料的抗氧化性能。實驗結果表明，復合材料短期內的耐腐蝕性能要強于純銅，但長期暴露在空氣中時氧化現象更嚴重。Jo等[52]發現Gr/Cu復合材料表面石墨烯的缺陷會引起兩種相互抵制的效果：一是加速了空氣和氧化物表面的反應，形成了濃度梯度從而促進了陽離子空位向內擴散；二是通過銅氧化物的形成阻止陽離子空位內移。基于以上研究，他們提出了一種H2等離子處理Gr/Cu復合材料表面的方法。這種方法減少了石墨烯的缺陷，提升了復合材料的耐腐蝕性，為進一步研究GRMMC的耐腐蝕性提供了重要參考。

2.5 其他應用

石墨烯還具有優良的鐵磁性和室溫量子霍爾效應，利用這些特性，可以將GRMMC應用在電磁領域。李淑梅等[53]使用化學鍍鎳法制備了鎳包裹rGO的復合材料，其導電性良好，電阻率為4.5064mΩ·m，同時飽和磁化強度大，矯頑力小，適合做軟磁材料。Lin等[54]將磁性納米顆粒覆蓋的石墨烯摻雜到鈦納米管中得到了可持續回收砷的復合材料。他們發現復合材料對砷的吸附能力大約為21.2mg/g，并且經過4次循環后仍然保持較高的吸附能力，可以應用在砷污染的治理上。

制備GRMMC的基體主要包括Mg，Al，Ni，Cu，Ti等單質金屬及其合金材料，表2歸納了近年來關于GRMMC的制備、性能以及應用的研究進展。此外，以金屬氧化物為基體的GRMMC可以應用在其他領域。Ramamoorthy等[55]從植物中提取了天然染料色素，和rGO/TiO2復合材料制備了染料敏化太陽能電池。這種電池具有廣泛的光吸收、較高的染料吸附率、更好的電子傳輸性，從而使得電池的光轉換效率比使用純TiO2的材料更高。Nieto等[56]合成了可以應用于髖關節植入物的GNPs/Al2O3復合材料，這種材料具有良好的耐磨性和生物相容性。Gui等[57]使用微波輔助水熱法合成了石墨烯增強花狀WO3納米復合材料，對苯胺具有良好的氣敏性能，在高性能苯胺感應器中具有巨大的應用前景。

表2 石墨烯增強金屬基復合材料的制備、性能及應用Table 2 Synthesis，property and application of graphene reinforced metal matrix composites

3 結束語

石墨烯由于其獨特的二維結構和優異的性能，自2004年首次被制備出以來就受到了國內外研究人員的高度關注。近年來，關于石墨烯增強金屬基復合材料的研究取得了許多積極成果，但大部分停留在基礎與應用研究階段。目前在該領域存在的一些問題以及發展趨勢概述如下：

(1)實現工業上大批量、低成本生產高質量的石墨烯是石墨烯復合材料得到廣泛應用的基礎，仍然是該領域的研究重點。由于制備高質量單層石墨烯的工藝復雜，大部分復合材料的增強相使用的是氧化石墨烯或還原性氧化石墨烯，影響了復合材料性能的發揮。改進石墨烯的制備方法，能夠為石墨烯增強金屬基復合材料的研究和工程應用提供充足的原材料。同時，利用氧化石墨烯中含氧官能團的特性，可以制備具有獨特性能的復合材料。因此，氧化石墨烯增強復合材料的制備與應用仍然具有重要的研究價值。

(2)石墨烯和金屬基體之間的界面結合機制有待進一步探明。當前大部分的研究集中在通過改進制備工藝提升材料的宏觀性能上，而關于兩者之間的微觀界面結合機理的探索仍然處于起步階段。一方面，金屬的活性高，容易在制備過程中和石墨烯發生界面反應，會抑制石墨烯性能的發揮。另一方面，界面反應的生成物對復合材料的影響并不總是消極的，某些生成物可以提升復合材料的性能。石墨烯與金屬之間這種復雜的反應提升了研究兩者之間界面結合機制的難度。探明界面結合機制有利于根據需要對材料性能進行設計，未來將會成為該領域的一個研究熱點。

(3)實現石墨烯在基體中的均勻分散和高度取向是獲得高性能復合材料的關鍵。為了改善石墨烯在金屬基體中的潤濕性和分散性，最常用的方法就是對石墨烯進行表面改性處理，這方面的機理和工藝有待于進一步深入研究。除了增強相的性質和分散性外，二維石墨烯薄片的排列方式也會影響復合材料的性能。通過改進制備工藝來控制石墨烯在基體中的排列，可以得到各向異性的復合材料，滿足工程上更復雜的技術要求。

(4)石墨烯增強金屬基復合材料的結構較為簡單，大多以單一的石墨烯或其氧化物作為增強相。石墨烯負載金屬、石墨烯包裹金屬等特殊結構的材料也可以作為增強相，以獲得具有不同性能的功能復合材料，從而進一步拓展石墨烯增強金屬基復合材料的應用領域。