石墨烯增強金屬基塊體復合材料的制備技術

葉煜松，江煒，曹霞，沈琰，張丹丹

（常州工學院，江蘇常州 213032）

金屬基復合材料綜合性能良好，已經在交通、電力電子、航空航天等領域占有舉足輕重的地位。其中，石墨烯增強金屬基復合材料是當前研究的熱點。石墨烯是由sp2雜化碳原子構成的二維材料，具有表面積大、電子遷移率高、導熱性好、力學強度高等特點。在過去近十年中，研究人員對石墨烯增強金屬基復合材料進行了深入的研究和開發，絕大多數報道指出分散均勻且與基體結合良好的石墨烯能夠明顯改善復合材料的性能。

按照加工過程中金屬基體的狀態，可將金屬基復合材料的制備技術分為固相和液相兩類。前者是通過燒結金屬和增強體的混合粉末制備塊體復合材料，而后者是將增強體添加到液態金屬基體中后冷卻結晶獲得復合材料。本文總結了石墨烯（及其衍生物）增強金屬基復合材料的制備技術。

1 石墨烯增強金屬基復合材料制備的固相技術

粉末冶金法是用于制備金屬基復合材料的經典方法，制備溫度較低，工藝成熟、簡單，已被廣泛地應用于石墨烯增強金屬基復合材料的研究和生產中。粉末冶金法的基本步驟包括增強體與金屬基體粉末混合，混合粉末預壓和生坯的燒結成形加工等。石墨烯在基體中的分散程度很大程度上取決于混合粉末的制備過程，而石墨烯和基體之間的界面結合則可能受到混粉和燒結工藝的影響。

1.1 傳統粉末冶金法

在傳統粉末冶金法中，一般采用球磨的方式制備石墨烯與金屬基體的混合粉末。

Chu等[1]通過3h的高速球磨（1200rpm）將不同含量的石墨烯GNPs添加到銅粉中，并利用預壓、真空熱壓燒結制備出GNPs/Cu復合材料。當GNPs的體積分數為8%（對應的質量分數約為2.1wt.%）時，復合材料的屈服強度和彈性模量分別比純銅提高了114%和37%。

Yue等[2]利用球磨（400rpm）將氧化石墨烯GO和銅粉混合，并通過真空熱壓燒結制備出石墨烯增強銅基復合材料。當石墨烯含量僅僅為0.5wt.%時，復合材料的抗拉強度就比純銅提高了28%。但當石墨烯含量達到1wt.%后就會發生嚴重的團聚，復合材料的力學性能反而比純銅還要低。

1.2 新型粉末冶金法

為使石墨烯在金屬基體中更均勻的分散并獲得良好的界面結合，研究人員改進了傳統粉末冶金法。

Wang等[3]提出一種片狀粉末冶金法，利用表面包裹一層PVA的片狀鋁粉在溶液中吸附GO，通過還原、預壓、燒結、擠壓等工藝制備出石墨烯增強鋁基復合材料。當石墨烯的添加量為0.3wt.%時，復合材料的抗拉強度為249MPa，比純鋁（154MPa）提高了62%。

通過化學反應原位生成石墨烯與金屬的混合粉末，不僅能夠有效改善石墨烯的分散程度，更有利于提高石墨烯與基體之間的界面結合強度。Hwang等[4]采用了一種分子水平混合法，通過化學反應，將GO與銅鹽的混合溶液還原，獲得還原氧化石墨烯rGO和Cu的復合粉末，再通過放電等離子燒結制備出塊體復合材料。當rGO體積分數為2.5%（約為0.6 wt.%）時，rGO/Cu復合材料的抗拉強度和彈性模量為335 MPa和131 GPa，均比純銅提高了約30%。Chen等[5]采用PMMA為石墨烯前驅體，通過原位反應制備了石墨烯/銅復合粉末，并利用熱壓燒結制備出塊體復合材料。當石墨烯質量分數為0.95%時，復合材料的屈服強度和抗拉強度為144MPa和274MPa，分別比純銅提高了177%和27.4%。Cao等[6]同樣通過還原PMMA結合熱壓燒結的方法制備了石墨烯/銅復合材料。這種原位生長石墨烯的方式能夠有效避免使用氧化石墨烯及結構損傷。

2 石墨烯增強金屬基復合材料制備的液相技術

液相技術是制備石墨烯增強金屬基復合材料的一種重要手段。某種程度上和傳統鑄造工藝相似，適用于制備大尺寸復合材料。

2.1 攪拌熔鑄法

攪拌熔鑄法是基于傳統鑄造工藝，向液態金屬中加入石墨烯，并通過攪拌使石墨烯均勻分散。Rashad等[7]利用攪拌鑄造技術，將GNPs粉末加入到液態鎂合金AZ31中并不斷攪拌，之后將混合液體倒入鋼模中自然結晶，鑄造坯料經熱擠壓制備出GNPs/AZ31塊體復合材料。當GNPs的

含量為3 wt.%時，復合材料的拉伸應變和壓縮強度分別比AZ31合金提高了約29%和20%。

2.2 攪拌摩擦法

攪拌摩擦法類似于攪拌摩擦焊，通過摩擦攪拌對復合材料表面區域加工，可進一步提高石墨烯的分散程度。Chen等[8]首先利用攪拌鑄造法將GNPs添加到液態金屬鎂中，并將液態混合物鑄造成薄板復合材料，但是發現石墨烯分散效果并不理想。他們利用攪拌摩擦法對該復合薄板進行二次加工，進一步改善了GNPs在金屬基體中的分散程度。Jeon等[9]先將濃度15 mg/ml的GO水溶液膠質涂敷到5052-H32鋁合金基體表面，通過攪拌摩擦法在加工區域得到了石墨烯增強鋁合金復合材料，該加工區域在250 ℃的熱導率比合金基體提高了15%以上。

3 結語

隨著石墨烯增強金屬基復合材料研究的深入，制備技術逐漸成熟，有希望更廣泛地應用到工業領域。但目前石墨烯增強金屬基復合材料還處于試驗階段，需要不斷地優化制備工藝，提高產品性能的穩定性。真正實現石墨烯增強金屬基復合材料的規模化生產仍是一個相對漫長的過程。