多層石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料微觀組織研究

趙競　史群　陳客舉　王德財　尹冬松

摘 要：本文采用超聲、電磁震蕩法復(fù)合對多層石墨烯粉體在鋁銅復(fù)合粉中進(jìn)行分散，采用熱壓燒結(jié)方法制備石墨微片增強(qiáng)鋁銅基復(fù)合材料，利用掃描電子顯微鏡、能溥儀對復(fù)合材料的微觀組織、微區(qū)成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明：熱壓燒結(jié)法可以制備石墨片微增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，該復(fù)合材料由由α-Al、Al-Cu和石墨烯片組成，鋁銅基體與石墨烯片之間的潤濕性較好，在超聲、電磁攪拌復(fù)合作用下，0.3wt%的石墨烯能夠在鋁銅復(fù)合粉體中分散較為均勻，當(dāng)石墨烯添加量增加到0.5wt%時，局部存在著少量的石墨烯團(tuán)聚。

關(guān)鍵詞：石墨微片;鋁基復(fù)合材料;微觀組織;細(xì)化

鋁基復(fù)合材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫和加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，對這類材料的比強(qiáng)度、比剛度、耐磨性、耐熱性和抗疲勞性等提出了更高的要求，這促使人們研究開發(fā)高性能的鋁基復(fù)合材料。單層墨烯是人類已知材料中強(qiáng)度最高的材料，其本征抗拉強(qiáng)度 達(dá)到 130GPa，楊氏模量達(dá)到1TPa，在以往的研究中發(fā)現(xiàn)石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和表面的褶皺，不但能提高鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度，對其韌性改善也有顯著意義。對石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料目前進(jìn)行了大量研究，Wang，Li等[1]在鋁粉中0.3wt%的石墨烯，采用粉末冶金法制備的鋁基復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到249MPa，與未添加石墨烯的普通鋁合金相比，抗拉強(qiáng)度提高了62%。Porwal H等[2] 在超聲波作用下采用粉末冶金方法，將石墨烯分散到鋁合金粉末中制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并對制備的材料采用等離子燒結(jié)法，制得石墨烯增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，其與純鋁相比斷裂韌性提高40%。Zhao 等[3]采用石墨烯與鋁粉混合后進(jìn)行球磨，得到的復(fù)合粉體經(jīng)高壓扭轉(zhuǎn)制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。結(jié)果表明：僅添加0.5wt%的石墨烯復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度就相比于純鋁提高了25.5%，伸長率并沒有降低。可以看出，石墨烯對鋁材料的強(qiáng)度和韌性改善都具有顯著作用，但是在研究中也出現(xiàn)了影響鋁基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能提高的技術(shù)瓶頸，主要之一是納米顆粒具有很多的表面原子和懸掛鍵，高的表面活性能，因此納米粒子趨向于團(tuán)聚，無法實(shí)現(xiàn)在鋁中分散，影響石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的進(jìn)一步提升。

針對石墨烯在鋁粉中分散難的問題，本課題采用超聲、電磁作用并復(fù)合高能的方法，提高石墨烯分散性，研究探索石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料微觀組織隨石墨烯含量變化規(guī)律，為石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研究開發(fā)提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

熱壓燒結(jié)試驗(yàn)所用的鋁粉為氣霧化工藝制備的純鋁粉，純度≥99.9%;石墨烯為石墨烯納米片（graphene nanoflakes，GNFs，層數(shù)3-10層），直徑約10-20μm，厚度在 10nm 以內(nèi)。所用復(fù)合粉體中 GNFs添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為0.3、0.5。

1.2 試驗(yàn)方法

采用超聲及電磁攪拌制備的石墨烯/純鋁復(fù)合粉體（GNFs添加量0.3%、0.5%）。經(jīng)冷壓成型后，采用真空熱壓燒結(jié)的方法進(jìn)行鋁基復(fù)合材料的制備，熱壓燒結(jié)加熱速率均為60℃/min，對制得的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織觀察、微區(qū)成分測定和物相分析，并在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，采用塊狀摩擦試樣，測試段尺寸為2mm×3 mm×3mm，壓力為20N，試驗(yàn)加載力為 20N，轉(zhuǎn)速600r/min，摩擦?xí)r間為300s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如右圖所示，是球磨及超聲震蕩、圖（a）為鋁銅復(fù)合粉體經(jīng)熱壓燒結(jié)后的微觀組織，其中灰暗色為鋁基體，而亮白色為Al-Cu相，鋁銅相尺寸波動較大，在幾微米至幾十微米之間波動，形狀變化也較為豐富，有橢圓狀，條狀，塊狀，桿狀等。電磁攪拌并經(jīng)干燥后的添加0.3wt%和0.5wt%多層石墨烯的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，如圖（b）和圖（c）所示，可以看出，當(dāng)石墨烯添加量為0.3wt%時，利用球磨及超聲震蕩、電磁攪拌復(fù)合方法球磨法可使石墨烯片均勻的分散到鋁合金基體中，復(fù)合材料的組織也較為均勻。其中白色箭頭所指的黑色的層片狀為石墨微片，亮白的條狀、顆粒狀和橢圓狀的物質(zhì)為鋁銅相，石墨烯的尺寸與石墨烯粉體的尺寸相當(dāng)。當(dāng)添加石墨烯量增加到05wt%時，鋁基復(fù)合材料基體上石墨烯的數(shù)量顯著增加，在局部區(qū)域存在團(tuán)狀的石墨烯團(tuán)聚區(qū)，團(tuán)聚的石墨烯呈團(tuán)狀和蟲狀，尺寸在10-20μm之間波動。

對鋁基體進(jìn)行EDS分析如圖（e）所示，可以看出鋁銅復(fù)合粉體經(jīng)熱壓燒結(jié)后，基體形成固溶一定量銅元素的α-Al相，其中銅元素含量為3.3wt%，對石墨烯團(tuán)聚區(qū)進(jìn)行EDS分析如圖（f）所示，可以團(tuán)聚區(qū)主要含有大量的C元素和Cu元素，含有少量的銅元素。

石墨烯作為納米粉體，由于其比表面積大等特有的性質(zhì)，因此很容易發(fā)生團(tuán)聚，團(tuán)聚的石墨烯作為鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體會顯著降低鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等諸多性能，是亟待解決的問題，通過以上試驗(yàn)結(jié)果可知，利用超聲和電磁攪拌可以使石墨烯添加量在0.3wt%的石墨烯得到很好的分散，z這是由于超聲波的震動使，石墨烯之間的靜電結(jié)合得到解脫，而復(fù)合電磁攪拌后，使這種效果顯著提高，作用的范圍也顯著增大。當(dāng)石墨烯添加量增加到0.5wt%時，由于石墨烯數(shù)量的明顯增加，超聲波的震動和電磁攪拌的作用效果，因石墨烯量增加而下降，造成鋁基復(fù)合材料局部區(qū)域出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。

3 結(jié)論

采用鋁銅混合粉體，利用超聲、電磁震蕩可以制備得到低含量（0.3%、0.5%）石墨烯的鋁基復(fù)合材料，復(fù)合材料的基體為固溶了銅元素的α-Al;當(dāng)石墨烯含量為0.3%時，基體上分布著石墨烯、鋁銅相，當(dāng)石墨烯含量增加到0.5%時，局部出現(xiàn)大尺度的石墨烯團(tuán)聚。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wang J，Li Z，F(xiàn)an G.Reinforcenent with grapheme nanosheets in aluminum matrix composites[J].Script Mater，2012，66（8）：594-596.

[2]Porwal H，Tatarko P，Grasso S.Graphene reinforced alumina nano-composites[J].Carbon，2013，64：359.

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項(xiàng)目：黑龍江省2018年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（201810219066）;哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目（2017RAQXJ051）