多层石墨烯增强铝基复合材料微观组织研究

赵竞　史群　陈客举　王德财　尹冬松

摘 要：本文采用超声、电磁震荡法复合对多层石墨烯粉体在铝铜复合粉中进行分散，采用热压烧结方法制备石墨微片增强铝铜基复合材料，利用扫描电子显微镜、能溥仪对复合材料的微观组织、微区成分进行分析，结果表明：热压烧结法可以制备石墨片微增强铝基复合材料，该复合材料由由α-Al、Al-Cu和石墨烯片组成，铝铜基体与石墨烯片之间的润湿性较好，在超声、电磁搅拌复合作用下，0.3wt%的石墨烯能够在铝铜复合粉体中分散较为均匀，当石墨烯添加量增加到0.5wt%时，局部存在着少量的石墨烯团聚。

关键词：石墨微片;铝基复合材料;微观组织;细化

铝基复合材料具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温和加工性能好等优点，目前广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。但是随着技术的发展，对这类材料的比强度、比刚度、耐磨性、耐热性和抗疲劳性等提出了更高的要求，这促使人们研究开发高性能的铝基复合材料。单层墨烯是人类已知材料中强度最高的材料，其本征抗拉强度 达到 130GPa，杨氏模量达到1TPa，在以往的研究中发现石墨烯独特的二维结构和表面的褶皱，不但能提高铝基复合材料的强度，对其韧性改善也有显著意义。对石墨烯增强铝基复合材料目前进行了大量研究，Wang，Li等[1]在铝粉中0.3wt%的石墨烯，采用粉末冶金法制备的铝基复合材料，其抗拉强度达到249MPa，与未添加石墨烯的普通铝合金相比，抗拉强度提高了62%。Porwal H等[2] 在超声波作用下采用粉末冶金方法，将石墨烯分散到铝合金粉末中制备了石墨烯增强铝基复合材料，并对制备的材料采用等离子烧结法，制得石墨烯增强陶瓷基复合材料，其与纯铝相比断裂韧性提高40%。Zhao 等[3]采用石墨烯与铝粉混合后进行球磨，得到的复合粉体经高压扭转制备石墨烯增强铝基复合材料。结果表明：仅添加0.5wt%的石墨烯复合材料的抗拉强度就相比于纯铝提高了25.5%，伸长率并没有降低。可以看出，石墨烯对铝材料的强度和韧性改善都具有显著作用，但是在研究中也出现了影响铝基复合材料综合力学性能提高的技术瓶颈，主要之一是纳米颗粒具有很多的表面原子和悬挂键，高的表面活性能，因此纳米粒子趋向于团聚，无法实现在铝中分散，影响石墨烯增强铝基复合材料综合力学性能的进一步提升。

针对石墨烯在铝粉中分散难的问题，本课题采用超声、电磁作用并复合高能的方法，提高石墨烯分散性，研究探索石墨烯增强铝基复合材料微观组织随石墨烯含量变化规律，为石墨烯增强铝基复合材料研究开发提供实践基础。

1 实验材料与方法

1.1 试验材料

热压烧结试验所用的铝粉为气雾化工艺制备的纯铝粉，纯度≥99.9%;石墨烯为石墨烯纳米片（graphene nanoflakes，GNFs，层数3-10层），直径约10-20μm，厚度在 10nm 以内。所用复合粉体中 GNFs添加量（质量分数，下同）为0.3、0.5。

1.2 试验方法

采用超声及电磁搅拌制备的石墨烯/纯铝复合粉体（GNFs添加量0.3%、0.5%）。经冷压成型后，采用真空热压烧结的方法进行铝基复合材料的制备，热压烧结加热速率均为60℃/min，对制得的铝基复合材料进行微观组织观察、微区成分测定和物相分析，并在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，采用块状摩擦试样，测试段尺寸为2mm×3 mm×3mm，压力为20N，试验加载力为 20N，转速600r/min，摩擦时间为300s。

2 实验结果与分析

如右图所示，是球磨及超声震荡、图（a）为铝铜复合粉体经热压烧结后的微观组织，其中灰暗色为铝基体，而亮白色为Al-Cu相，铝铜相尺寸波动较大，在几微米至几十微米之间波动，形状变化也较为丰富，有椭圆状，条状，块状，杆状等。电磁搅拌并经干燥后的添加0.3wt%和0.5wt%多层石墨烯的石墨烯增强铝基复合材料，如图（b）和图（c）所示，可以看出，当石墨烯添加量为0.3wt%时，利用球磨及超声震荡、电磁搅拌复合方法球磨法可使石墨烯片均匀的分散到铝合金基体中，复合材料的组织也较为均匀。其中白色箭头所指的黑色的层片状为石墨微片，亮白的条状、颗粒状和椭圆状的物质为铝铜相，石墨烯的尺寸与石墨烯粉体的尺寸相当。当添加石墨烯量增加到05wt%时，铝基复合材料基体上石墨烯的数量显著增加，在局部区域存在团状的石墨烯团聚区，团聚的石墨烯呈团状和虫状，尺寸在10-20μm之间波动。

对铝基体进行EDS分析如图（e）所示，可以看出铝铜复合粉体经热压烧结后，基体形成固溶一定量铜元素的α-Al相，其中铜元素含量为3.3wt%，对石墨烯团聚区进行EDS分析如图（f）所示，可以团聚区主要含有大量的C元素和Cu元素，含有少量的铜元素。

石墨烯作为纳米粉体，由于其比表面积大等特有的性质，因此很容易发生团聚，团聚的石墨烯作为铝基复合材料的增强体会显著降低铝基复合材料的强度、韧性、导电性、导热性等诸多性能，是亟待解决的问题，通过以上试验结果可知，利用超声和电磁搅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这是由于超声波的震动使，石墨烯之间的静电结合得到解脱，而复合电磁搅拌后，使这种效果显著提高，作用的范围也显著增大。当石墨烯添加量增加到0.5wt%时，由于石墨烯数量的明显增加，超声波的震动和电磁搅拌的作用效果，因石墨烯量增加而下降，造成铝基复合材料局部区域出现团聚现象。

3 结论

采用铝铜混合粉体，利用超声、电磁震荡可以制备得到低含量（0.3%、0.5%）石墨烯的铝基复合材料，复合材料的基体为固溶了铜元素的α-Al;当石墨烯含量为0.3%时，基体上分布著石墨烯、铝铜相，当石墨烯含量增加到0.5%时，局部出现大尺度的石墨烯团聚。

参考文献：

[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.

项目：黑龙江省2018年大学生创新创业训练计划项目（201810219066）;哈尔滨市应用技术研究与开发项目（2017RAQXJ051）