烯鋁合金研究進展

安浩誠

(重慶交通大學 重慶 400074)

引言

隨著科學技術的進步和工業化進程的不斷加快，對具有優良性能的金屬及合金材料的需求量逐漸提高，對其性能的要求也逐漸加強，從而促進了金屬基復合材料的發展，這其中以鋁基復合材料最為廣泛。以sp2結合的石墨烯是一種新型的二維材料，其具有導電性強、導熱性強、優良的力學性能以及良好的自潤滑性等優點成為鋁基合金材料中重要的增強體。而純鋁及鋁合金塑性韌性及導電導熱性較好，同時熔點低，耐磨性較差的使其無法廣泛的應用。經過石墨烯增強的烯鋁合金的導熱性、耐磨性以及強度都有顯著的提升。本文綜述了石墨烯增強鋁合金的作用機理以及現有的制備方法和研究進展，介紹了經石墨烯增強后烯鋁合金的性能。

一、石墨烯

石墨烯只是石墨的單層，是一種碳的同素異形體，由碳原子結合得到，其結構為二維六邊形晶格。自2004年英國曼徹斯特大學的Geim等[1]首次通過交代粘接的微機械剝離法成功制備出穩定存在的石墨烯，便引起廣泛關注。它是目前已知最薄的材料，同時也是最硬的材料。石墨烯具有優異的導熱性、導電性和力學性能。使其具有優異的面內彈性模量(0.5-1.0TPa)[2]和抗拉強度(130GPa)[3]。由于石墨烯表面的疏水特性，僅有少量的研究是直接利用石墨烯來制備石墨烯增強金屬基復合材料的[4-5]。

二、石墨烯-鋁基復合材料

Bartolucci等[7]最先開展石墨烯增強鋁基復合材料制備研究，利用熱壓燒結與擠壓變形結合的方法制備出石墨烯-鋁基復合材料，但由于界面反應產生脆性Al4Cl3，使得復合材料的力學性能降低。Wang等[18]首次通過粉末冶金的方法制得石墨烯增強鋁基復合材料，當石墨烯納米片的層數在5層時、質量分數在0.3%的情況下，得到的鋁基復合材料性能優異，并且拉伸強度達到249MPa，比鋁基體增加了62%。

三、混合粉體制備方法

球磨:

球磨干混法指的是鋁粉和石墨烯在干燥并且無溶劑的情況下進行球磨混合的方法。Bastwros等[6]將石墨烯與Al6061粉末在無保護氣體的環境下進行球磨。結果表明，球磨時間與石墨烯在鋁粉中的分散程度成正比，并且隨著球磨時間的增加石墨烯的層數也有所減少。

Bartolucci等[6]通過1050℃下的高溫下對氧化石墨進行還原和剝離，得到石墨烯，然后將石墨烯與鋁粉進行混合，混合過程中加入硬脂酸作為過程控制劑，硬脂酸的加入有效的抑制了石墨烯的團聚現象。

燕紹九等[8]通過球磨濕磨法制備了石墨烯鋁混合粉體。測試表明：經過球磨后，鋁顆粒變為扁平狀，石墨烯與鋁有較好的界面結合，石墨烯的褶皺形貌保存完好。

四、烯鋁合金材料制備方法

粉末冶金法是利用鋁及其合金粉末和石墨烯粉末的混合物作為原料，經過固態壓實，燒結制備得到復合材料的制備方法。

燕紹九等人[8]將配比混合好后的石墨烯和鋁合金粉末裝進鋁合金包套中進行除氣處理，并焊接封口；制備得到的復合材料與基體相比較，其抗拉強度提高了25%，屈服強度提升了58%。從XRD檢測結果可以看出試樣中不存在Al4C3。從TEM的結果看，石墨烯與鋁基體結合良好。

熔融攪拌鑄造法是將石墨烯或改性石墨烯直接加入鋁及其合金的熔融液體中，充分攪拌后鑄造成型的方法。

管仁國等人[12]將熔化的鋁液中加入表面附銅的石墨烯，進行機械攪拌鑄造，從而制備了石墨烯增強鋁基復合材料。通過檢測，發現在復合材料中出現了石墨烯的嚴重團聚。研究表明由于單質銅和氧化銅與石墨烯之間的連接不牢固，在攪拌熔鑄過程中脫離了石墨烯，致使石墨烯發生了團聚。

攪拌摩擦法是借助攪拌摩擦加工過程中的強塑型變形，使石墨烯或氧化石墨烯和基體材料混合，均勻分散在鋁基體中。

五、烯鋁合金的性能

馬會中等通過真空球磨處理混合粉末后，采用放電等離子燒結的方法，并進行硬度測試表明，復合材料的硬度隨石墨烯添加量先增加后減小。

馬會中等采用納米壓痕儀測試不同石墨烯含量的試樣彈性模量，隨著石墨烯含量現增加后減小。