石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

李欣虎 王穎 馬鵬興

摘 ?要：鋁及鋁合金作為資源最豐富、使用最常見的金屬材料之一，在社會各個(gè)行業(yè)都有著很多的應(yīng)用，它具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕、密度小、成本低廉等。而且，鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度和比剛度較高，并具有良好的高溫性能，以及耐疲勞、耐磨性等。因此，鋁基復(fù)合材料是目前金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的材料之一。其所具有的優(yōu)良性能使得鋁基復(fù)合材料已經(jīng)成為材料學(xué)的研究熱點(diǎn)，但由于其增強(qiáng)相的不同對其性能有著較大的改變，該文圍繞鋁基復(fù)合材料這一課題，在對制備工藝認(rèn)識的基礎(chǔ)上，著重探討了增強(qiáng)項(xiàng)添加的不同對其性能的影響問題。

關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料 ?增強(qiáng)相 ?制備工藝

中圖分類號：TB333 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）05（b）-0003-03

1 ?鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料具有耐磨、塑性好、質(zhì)量輕及加工簡便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、通信、航空、航天、軍事以及電子儀表等行業(yè)[1，2]。國內(nèi)外眾多科學(xué)家從20世紀(jì)末期就開始對該類鋁基復(fù)合材料進(jìn)行研發(fā)，并在其工藝制備方法、力學(xué)性能、實(shí)際應(yīng)用等方面取得許多先進(jìn)性成果，加快了鋁基復(fù)合材料的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用。

1.1 纖維增強(qiáng)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是復(fù)合材料的一種，它是由增強(qiáng)纖維材料與基體材料經(jīng)過各種成型工藝加工而形成的復(fù)合材料，常見的如玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、硼纖維復(fù)合材料等。這種復(fù)合材料不僅保留了基體材料的優(yōu)秀性能，并且能通過復(fù)合效應(yīng)來得到增強(qiáng)體的優(yōu)異性能，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中這3個(gè)組成相起著各不相同的作用：纖維是用來起承載作用;樹脂是傳載作用和連接纖維;界面作為纖維和樹脂基體連接的橋梁，同時(shí)也承載著應(yīng)力及其他信息的傳遞作用[3]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、抗損傷性能強(qiáng)、耐腐蝕性能好、熱膨脹系數(shù)與混凝土的相近以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等較于其他材料沒有的特性，因此復(fù)合材料成為材料研究的新寵。目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于各大工業(yè)及生活等領(lǐng)域中。

在對復(fù)合材料的研究進(jìn)程中，也出現(xiàn)了很多便捷的制備方法，石川等人采用激光熔覆制備連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體。熔覆過的材料表面最高硬度與沒有經(jīng)過熔覆的材料相比，硬度提升3倍。Hu等[4]探究了采用CVD法在Al2O3纖維表面沉積六方氮化硼（h-BN）涂層對NiAl基復(fù)合材料的影響，研究結(jié)果表明沒有涂層的界面具有高的剪切強(qiáng)度（230～250MPa），而有h-BN涂層的纖維與基體界面因生成了分布在晶界的AlB12，復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度降低為75MPa。高嵩等[5]為了研究通過在硼酸得作用下，Cu鍍層被鍍在碳纖維表面制備的C/Cu復(fù)合絲的分散情況，使用了化學(xué)鍍再電鍍的方法。研究發(fā)現(xiàn)：在加入硼酸少量的情況下，復(fù)合材料的性能沒有太大，如果加入過多，則會大大降低銅的氧化程度，通過碳纖維含量的增加可以增大其抗拉強(qiáng)度，最高可達(dá)到50%以上，但同時(shí)會影響其可塑性。

1.2 顆粒增強(qiáng)

周超羨等[6]為研究原位自生6%TiB2/7050復(fù)合材料微觀組織，試驗(yàn)結(jié)果表明，原位自生陶瓷顆粒彌散分布在基體中。何偉等[7]制備出了原位鎂基復(fù)合材料，結(jié)果表明：原位生成的增強(qiáng)項(xiàng)熱力學(xué)穩(wěn)定性好，與金屬基體相容性好，使得兩者結(jié)合更加牢固。原位生成的顆粒尺寸小，分布更加均勻，能顯著提高材料的強(qiáng)度、韌度、硬度、高溫性和彈性模型。胡志等[8]采用高能超聲法制備了納米SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，納米SiC顆粒含量對其伸長率和抗拉強(qiáng)度有顯著增加。郝世明等[9]也對SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了研究，首先對原料通過適度的球磨處理，然后運(yùn)用真空熱壓法方法來制備，設(shè)定熱壓溫度為540℃，最終制得SiCp/6061Al復(fù)合材料。研究過程及結(jié)果顯示：在制備過程中，SiC體積分?jǐn)?shù)的增大導(dǎo)致了SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度先增大后降低，而致密度以及熱膨脹系數(shù)均有所下降。

2 ?顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

2.1 氧化鋁

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被廣泛運(yùn)用，主要因?yàn)閮蓚€(gè)方面，一是顆粒增強(qiáng)具有低廉的價(jià)格;二是常規(guī)方法就可以將它改造加工完成。但目前常采用的外加Al2O3增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在明顯缺點(diǎn)，如：增強(qiáng)體顆粒尺寸大、熱力學(xué)不穩(wěn)定、界面結(jié)合強(qiáng)度低等，使得增強(qiáng)效果明顯降低。任磊等人[10]采用粉末冶金法將氧化鋁增添到鉬基基體中隨著氧化鋁的加入，在其實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的復(fù)合材料的布氏硬度得到顯著提高，但當(dāng)氧化鋁增強(qiáng)相增加到20%時(shí)，增強(qiáng)相會發(fā)生團(tuán)聚的現(xiàn)象，使得均勻度不高。付高峰等[11]采用無機(jī)鹽熱分解法向鑄鋁熔體中添加硫酸鋁銨，使其熱分解，產(chǎn)生的顆粒增強(qiáng)相是分解生成的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氧化鋁顆粒均勻度良好、形成不團(tuán)聚增強(qiáng)顆粒且呈球形形狀，和沒有增強(qiáng)合金比較，其片狀共晶硅明顯減少。

2.2 碳化硅

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料屬于超硬陶瓷材料，具有高強(qiáng)度、高剛度、耐磨損、耐腐蝕等性能，已成為金屬基復(fù)合材料成為了現(xiàn)如今的主要趨勢。主要關(guān)注點(diǎn)在其創(chuàng)新設(shè)計(jì)和新技術(shù)發(fā)展研究之上，并試圖利用粉末冶金技術(shù)、熔鑄技術(shù)、壓力浸滲技術(shù)和無壓浸滲等技術(shù)制備出性能優(yōu)良的顆粒增強(qiáng)型鋁基復(fù)合材料[12-14]。張建軍等[15]通過攪拌鑄造技術(shù)制備出SiC體分比為10%碳化硅顆粒增強(qiáng)6168鋁基復(fù)合材料，主要研究了其高溫下的熱變形行為，構(gòu)建了關(guān)于雙曲正弦模型的流變應(yīng)力和真應(yīng)變的熱變形本構(gòu)關(guān)系。吳海華等[16]利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和凝膠注模成型兩種方法，以天然鱗片石墨和酚醛樹脂的混合物為原件，后通過干燥，燒結(jié)等工藝獲取石墨/莫開石復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究總結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：燒結(jié)最后的莫來石相對密度最高可到80.4%，抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度也明顯升高，導(dǎo)熱系數(shù)也達(dá)到了2.35（W/m·s）。可以看出經(jīng)過處理后的復(fù)合材料，可以明顯減少兩者結(jié)合度不佳以及減少復(fù)合部分裂紋的現(xiàn)象，從而增強(qiáng)復(fù)合材料的界面穩(wěn)定性。

2.3 石墨烯

石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)[17]和超高的力學(xué)性能[18]，所以將石墨烯作為增強(qiáng)相來制備鋁基復(fù)合材料，對維持復(fù)合材料的韌性和塑性都含有一定優(yōu)勢。管仁國等[19]將氧化石墨烯加入到硫酸銅溶液中使其中的銅離子吸附到氧化石墨烯表面，然后用化學(xué)方法還原得到石墨烯銅并將其加到熔化的純鋁熔體中，最后空冷熔體至室溫獲得了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。結(jié)果表明：制備的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的平均硬度基于純鋁提高了40%。Wang等[20]制備了0.3wt%石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，對力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，相比于純鋁，0.3wt%Graphene/Al復(fù)合材料的的抗拉強(qiáng)度從154MPa提高到259MPa，材料的斷裂應(yīng)變從27.5%減小到12.7%。Yan等[21]將制備的超細(xì)鋁粉和少層石墨烯在乙醇中球磨混合，之后在110MPa下熱等靜壓燒結(jié)2h。最后，將制得的坯料放入模具中熱擠壓得到復(fù)合材料，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%左右時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高了近50%。

3 ?發(fā)展前景和總結(jié)

石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已有廣泛應(yīng)用：作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于航空航天，汽車和運(yùn)輸行業(yè);作為散熱設(shè)備應(yīng)用于電子領(lǐng)域。石墨烯由于其超高的強(qiáng)度和剛度可取代碳纖維和碳納米管增強(qiáng)金屬，且石墨烯具有超高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能，可作為電子元件和散熱設(shè)備應(yīng)用于電子領(lǐng)域。石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究工藝還未成熟，所以暫不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)模化。但是我們相信，若克服加工過程的挑戰(zhàn)，充分利用石墨烯的增強(qiáng)效果，一定可制備出性能最好的鋁基復(fù)合材料。

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