石墨烯增強金屬基復合材料制備及其性能

唐 婷，何 棟

（西安航空職業技術學院， 陜西西安 710089）

金屬基復合材料在航空航天與汽車制造等工業領域的應用越來越廣泛。而鋁與鋁合金由于重量較輕、延展性良好、耐用性與耐腐蝕性強、導熱性與導電性較好，得以備受青睞。而非連續增強鋁基復合材料具有其自身獨特優勢，尤其是硬度、強度、耐溫性、耐磨性、尺寸穩定性等都非常突出，促使其成為了鋁基復合材料的主要發展方向。而從石墨烯出現以來，社會各界都給予了高度關注，不僅具備較高的熱導率，且力學性能與柔韌性良好，因此被公認為是金屬基復合材料最佳增強體[1]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

石墨烯增強鋁基復合材料制備原材料具體見表1。

表1 實驗材料Table 1 Experimental materials

1.2 實驗儀器

電子天平，沈陽龍騰電子公司出廠，最大量程為120g，精確度為0.0001g；磁力攪拌器，上海一科儀器公司出廠；超聲波清洗機，上海生析公司生產；離心機，湖南赫西儀器公司生產，最高轉速為16500r/min；冷凍干燥機，河南兄弟儀器公司生產；超純水機，四川沃特浦水處理設備公司生產；熱壓燒結爐，上海晨華電爐公司生產。

1.3 材料制備

在燒杯中加入10g鋁粉、100mL質量分數為0.5%的十六烷基三甲基溴化銨溶液，常溫狀態下進行攪拌，1h后洗滌并干燥。在燒杯中加入處理后鋁粉，再添加100mL去離子水與質量分數為0.5%的氧化石墨烯，持續攪拌，在溶液顏色變成無色，過濾并干燥，便制成了氧化石墨烯增強鋁基復合粉。將其放入直徑Φ50的模具，基于Ar氣保護，600℃與25MPa壓力，燒結1h，在此過程中以高溫還原氧化石墨烯，便制成了石墨烯增強鋁基復合材料。

1.4 性能測試

密度：選用阿基米德排水法測試，以去離子水為液體介質，質量稱量精確度為0.1mg；原理是在空氣與水中測試復合材料質量。

硬度：選用顯微維氏硬度計，打磨拋光試樣后再測量，加載載荷為100g，時間為15s，選擇10點測量，去除最高與最低計算平均值，以此為材料硬度值。

拉伸性能：常溫狀態下，選用電子萬能試驗機測試，速度為 0.5mm/min[2]。

2 結果與討論

2.1 氧化石墨烯結構

石墨與氧化石墨烯XRD圖譜具體如圖1所示。

圖1 石墨與氧化石墨烯XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of graphite and graphene oxide

石墨在27°的位置上出現了特征衍射峰，表征石墨晶面，峰比較窄且尖銳，代表石墨結晶度良好。利用Hummer法在石墨中引入官能團與缺陷，石墨晶面衍射峰則消失，但是在10°周圍出現了新特征峰，強度比較弱，代表石墨層間距明顯加大，結晶度較差。

2.2 復合材料組織結構

石墨烯增強鋁基復合材料XRD圖譜如圖2所示。

圖2 0.5%復合材料XRD圖譜Fig.2 XRD spectra of 0.5% composites

由圖2可知，材料燒結之后沒有發生太過明顯的碳化物相，代表其并未出現顯著的界面反應，且強度有所提升，這主要是受石墨烯與鋁復合影響[3]。

2.3 石墨烯含量對鋁基復合材料性能的影響

2.3.1 對密度的影響

為明確材料密度，利用阿基米德排水法測試，不同石墨烯含量下鋁基復合材料密度如圖3所示。

圖3 材料密度Fig.3 Material density

從圖3可以看出，復合材料致密度大致可達到99%以上，代表材料燒結之后組織致密性較高，氣孔缺陷比較少。在石墨烯含量逐漸增多的趨勢下，材料密度隨之縮小。在實驗過程中，利用熱壓燒結法制備復合材料，盡管石墨烯含量在實時變化，但是由于增強體含量比較少，材料密度大體不變。在石墨烯含量為質量分數0.5%時，材料密度有所降低[4]。

2.3.2 對硬度的影響

不同石墨烯含量下鋁基復合材料的硬度如圖4所示。

圖4 材料硬度Fig.4 Hardness of materials

由圖4可知，在石墨烯含量不斷增加的趨勢下，鋁基復合材料硬度的變化狀態是先增加后減少。利用相同熱壓燒結工藝，純鋁硬度為28HV，而石墨烯含量為0.3%的制備狀態下，材料維氏硬度為36HV，相對比有顯著提升。在石墨烯含量為0.5%的制備狀態下，材料維氏硬度有所降低[5]。

2.3.3 對拉伸強度的影響

不同石墨烯含量下鋁基復合材料拉伸曲線如圖5所示。

圖5 拉伸曲線Fig.5 Tensile curve

由圖5可知，在石墨烯含量逐漸增加的形勢下，材料抗拉強度隨之增大，但是延伸率確出現了很大程度上的降低。

不同石墨烯含量下鋁基復合材料拉伸強度與延伸率如圖6所示。

圖6 材料拉伸強度與延伸率Fig.6 Tensile strength and extensibility of materials

由圖6可知，石墨烯含量增加時，復合材料抗拉強度先增加后減少。在含量為0.3%時，抗拉強度到達最大值狀態，即115MPa，然而在石墨烯含量逐漸增加到0.5%時，抗拉強度開始緩慢降低。相反，延伸率則一直處于逐步下降的趨勢[6]。

2.3.4 對耐腐蝕性的影響

利用動電位極化與電化學阻抗法測試純鋁、復合材料在NaCl溶液中的Tafel極化曲線與Nyqust阻抗譜，腐蝕參數具體見表2。

表2 基于3.5%NaCl溶液的腐蝕性測試結果Table 2 Corrosive test results based on 3.5% NaCl solution

由表2可知，純鋁的腐蝕電流最低，阻抗最大，代表其耐腐蝕性良好，但是石墨烯增強鋁基復合材料的耐腐蝕性相對較差。這主要是由于石墨烯含量增加會造成復合材料致密度降低，材料孔隙增多，導致縫隙腐蝕，以此引發腐蝕電流增加，耐腐蝕性下降[7]。

3 結論

總而言之，由于石墨烯具備良好的物理與力學性能，得以在金屬基復合材料應用中備受青睞。但是石墨烯在金屬基體中極易出現團聚現象，因此探索新型復合材料制備技術是當前石墨烯增強金屬基復合材料優化發展的核心問題。本文以鋁為例進行了石墨烯增強金屬基復合材料制備及其性能實驗，結果表明，隨著石墨烯含量逐漸增加，鋁基復合材料硬度與抗拉強度隨之增大，呈現出增大不斷減緩的趨勢。尤其在石墨烯含量為質量分數0.3%時，復合材料力學性能處于最佳狀態，抗拉強度提高了大約23%，達到了115MPa；硬度增強了大約31%，達到了36HV。