石墨烯增強鋁基復合材料的研究進展

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，在社會各個行業(yè)都有著很多的應(yīng)用，它具有很多的優(yōu)點，如質(zhì)量輕、密度小、成本低廉等。而且，鋁基復合材料比強度和比剛度較高，并具有良好的高溫性能，以及耐疲勞、耐磨性等。因此，鋁基復合材料是目前金屬基復合材料中應(yīng)用最廣泛的材料之一。其所具有的優(yōu)良性能使得鋁基復合材料已經(jīng)成為材料學的研究熱點，但由于其增強相的不同對其性能有著較大的改變，該文圍繞鋁基復合材料這一課題，在對制備工藝認識的基礎(chǔ)上，著重探討了增強項添加的不同對其性能的影響問題。

關(guān)鍵詞：鋁基復合材料 ?增強相 ?制備工藝

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

1 ?鋁基復合材料

鋁基復合材料具有耐磨、塑性好、質(zhì)量輕及加工簡便等特點，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)外眾多科學家從20世紀末期就開始對該類鋁基復合材料進行研發(fā)，并在其工藝制備方法、力學性能、實際應(yīng)用等方面取得許多先進性成果，加快了鋁基復合材料的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用。

1.1 纖維增強

纖維增強復合材料是復合材料的一種，它是由增強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合材料，常見的如玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料、硼纖維復合材料等。這種復合材料不僅保留了基體材料的優(yōu)秀性能，并且能通過復合效應(yīng)來得到增強體的優(yōu)異性能，在纖維增強復合材料中這3個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，同時也承載著應(yīng)力及其他信息的傳遞作用[3]。纖維增強復合材料具有比強度高、抗損傷性能強、耐腐蝕性能好、熱膨脹系數(shù)與混凝土的相近以及可設(shè)計性強等較于其他材料沒有的特性，因此復合材料成為材料研究的新寵。目前，纖維增強復合材料被廣泛應(yīng)用于各大工業(yè)及生活等領(lǐng)域中。

在對復合材料的研究進程中，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，復合材料的剪切強度降低為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復合絲的分散情況，使用了化學鍍再電鍍的方法。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度，最高可達到50%以上，但同時會影響其可塑性。

1.2 顆粒增強

周超羨等[6]為研究原位自生6%TiB2/7050復合材料微觀組織，試驗結(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合材料，結(jié)果表明：原位生成的增強項熱力學穩(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顆粒增強鎂基復合材料，納米SiC顆粒含量對其伸長率和抗拉強度有顯著增加。郝世明等[9]也對SiC顆粒增強鋁基復合材料進行了研究，首先對原料通過適度的球磨處理，然后運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復合材料。研究過程及結(jié)果顯示：在制備過程中，SiC體積分數(shù)的增大導致了SiC顆粒增強鋁基復合材料的抗拉強度先增大后降低，而致密度以及熱膨脹系數(shù)均有所下降。

2 ?顆粒增強鋁基復合材料

2.1 氧化鋁

顆粒增強鋁基復合材料被廣泛運用，主要因為兩個方面，一是顆粒增強具有低廉的價格;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增強鋁基復合材料存在明顯缺點，如：增強體顆粒尺寸大、熱力學不穩(wěn)定、界面結(jié)合強度低等，使得增強效果明顯降低。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，在其實驗范圍內(nèi)的復合材料的布氏硬度得到顯著提高，但當氧化鋁增強相增加到20%時，增強相會發(fā)生團聚的現(xiàn)象，使得均勻度不高。付高峰等[11]采用無機鹽熱分解法向鑄鋁熔體中添加硫酸鋁銨，使其熱分解，產(chǎn)生的顆粒增強相是分解生成的，實驗結(jié)果表明氧化鋁顆粒均勻度良好、形成不團聚增強顆粒且呈球形形狀，和沒有增強合金比較，其片狀共晶硅明顯減少。

2.2 碳化硅

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料屬于超硬陶瓷材料，具有高強度、高剛度、耐磨損、耐腐蝕等性能，已成為金屬基復合材料成為了現(xiàn)如今的主要趨勢。主要關(guān)注點在其創(chuàng)新設(shè)計和新技術(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)良的顆粒增強型鋁基復合材料[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6168鋁基復合材料，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/莫開石復合材料，并對其力學性能和導熱系數(shù)進行了研究總結(jié)。實驗結(jié)果表明：燒結(jié)最后的莫來石相對密度最高可到80.4%，抗壓強度和抗彎強度也明顯升高，導熱系數(shù)也達到了2.35（W/m·s）?？梢钥闯鼋?jīng)過處理后的復合材料，可以明顯減少兩者結(jié)合度不佳以及減少復合部分裂紋的現(xiàn)象，從而增強復合材料的界面穩(wěn)定性。

2.3 石墨烯

石墨烯具有獨特的結(jié)構(gòu)[17]和超高的力學性能[18]，所以將石墨烯作為增強相來制備鋁基復合材料，對維持復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鋁基復合材料。結(jié)果表明：制備的石墨烯增強鋁基復合材料的平均硬度基于純鋁提高了40%。Wang等[20]制備了0.3wt%石墨烯增強鋁基復合材料，對力學性能研究發(fā)現(xiàn)，相比于純鋁，0.3wt%Graphene/Al復合材料的的抗拉強度從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合材料，當石墨烯質(zhì)量分數(shù)在0.5%左右時，抗拉強度提高了近50%。

3 ?發(fā)展前景和總結(jié)

石墨烯增強鋁基復合材料已有廣泛應(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度和剛度可取代碳纖維和碳納米管增強金屬，且石墨烯具有超高的導電性和導熱性能，可作為電子元件和散熱設(shè)備應(yīng)用于電子領(lǐng)域。石墨烯增強鋁基復合材料的研究工藝還未成熟，所以暫不能實現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)?；?。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效果，一定可制備出性能最好的鋁基復合材料。

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