多層石墨烯增強鋁基復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、電磁震蕩法復合對多層石墨烯粉體在鋁銅復合粉中進行分散，采用熱壓燒結方法制備石墨微片增強鋁銅基復合材料，利用掃描電子顯微鏡、能溥儀對復合材料的微觀組織、微區成分進行分析，結果表明：熱壓燒結法可以制備石墨片微增強鋁基復合材料，該復合材料由由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、電磁攪拌復合作用下，0.3wt%的石墨烯能夠在鋁銅復合粉體中分散較為均勻，當石墨烯添加量增加到0.5wt%時，局部存在著少量的石墨烯團聚。

關鍵詞：石墨微片;鋁基復合材料;微觀組織;細化

鋁基復合材料具有密度小、強度高、耐腐蝕、耐高溫和加工性能好等優點，目前廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域。但是隨著技術的發展，對這類材料的比強度、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高性能的鋁基復合材料。單層墨烯是人類已知材料中強度最高的材料，其本征抗拉強度 達到 130GPa，楊氏模量達到1TPa，在以往的研究中發現石墨烯獨特的二維結構和表面的褶皺，不但能提高鋁基復合材料的強度，對其韌性改善也有顯著意義。對石墨烯增強鋁基復合材料目前進行了大量研究，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合材料，其抗拉強度達到249MPa，與未添加石墨烯的普通鋁合金相比，抗拉強度提高了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鋁基復合材料，并對制備的材料采用等離子燒結法，制得石墨烯增強陶瓷基復合材料，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行球磨，得到的復合粉體經高壓扭轉制備石墨烯增強鋁基復合材料。結果表明：僅添加0.5wt%的石墨烯復合材料的抗拉強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度和韌性改善都具有顯著作用，但是在研究中也出現了影響鋁基復合材料綜合力學性能提高的技術瓶頸，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聚，無法實現在鋁中分散，影響石墨烯增強鋁基復合材料綜合力學性能的進一步提升。

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

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料

熱壓燒結試驗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3-10層），直徑約10-20μm，厚度在 10nm 以內。所用復合粉體中 GNFs添加量（質量分數，下同）為0.3、0.5。

1.2 試驗方法

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

2 實驗結果與分析

如右圖所示，是球磨及超聲震蕩、圖（a）為鋁銅復合粉體經熱壓燒結后的微觀組織，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。電磁攪拌并經干燥后的添加0.3wt%和0.5wt%多層石墨烯的石墨烯增強鋁基復合材料，如圖（b）和圖（c）所示，可以看出，當石墨烯添加量為0.3wt%時，利用球磨及超聲震蕩、電磁攪拌復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為鋁銅相，石墨烯的尺寸與石墨烯粉體的尺寸相當。當添加石墨烯量增加到05wt%時，鋁基復合材料基體上石墨烯的數量顯著增加，在局部區域存在團狀的石墨烯團聚區，團聚的石墨烯呈團狀和蟲狀，尺寸在10-20μm之間波動。

對鋁基體進行EDS分析如圖（e）所示，可以看出鋁銅復合粉體經熱壓燒結后，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%，對石墨烯團聚區進行EDS分析如圖（f）所示，可以團聚區主要含有大量的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，因此很容易發生團聚，團聚的石墨烯作為鋁基復合材料的增強體會顯著降低鋁基復合材料的強度、韌性、導電性、導熱性等諸多性能，是亟待解決的問題，通過以上試驗結果可知，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合得到解脫，而復合電磁攪拌后，使這種效果顯著提高，作用的范圍也顯著增大。當石墨烯添加量增加到0.5wt%時，由于石墨烯數量的明顯增加，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，造成鋁基復合材料局部區域出現團聚現象。

3 結論

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%）石墨烯的鋁基復合材料，復合材料的基體為固溶了銅元素的α-Al;當石墨烯含量為0.3%時，基體上分布著石墨烯、鋁銅相，當石墨烯含量增加到0.5%時，局部出現大尺度的石墨烯團聚。

參考文獻：

[1]Wang J，Li Z，Fan 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.

[3]Zhao L Y，Lu H M，Gao Z J.Microstructure and mechanical properties of Al/graphene composite produced by high-pressure torsion[J].Advanced Engineering Materials，2015，17（7）：976-981.

項目：黑龍江省2018年大學生創新創業訓練計劃項目（201810219066）;哈爾濱市應用技術研究與開發項目（2017RAQXJ051）