石墨烯增强铝基复合材料力学性能的发展现状

王占忠，张赞

（邢台学院 物理与电子工程学院，河北邢台 054001）

金属铝及其合金具有密度小、比强度高、比刚度高和耐腐蚀等优点，被广泛应用在汽车、航空、建筑等领域。工业快速发展及轻量化的提出，对铝及其合金的力学性能提出了更高的要求，而仅通过热处理、合金化等技术难以进一步提高其性能，需寻求新的增强方法以适应工业发展需要。这时综合性能较好的铝基复合材料应运而生，受到科研工作者广泛关注[1-4]。

石墨烯具有优异的力学性能（抗拉强度可达到130 GPa，弹性模量可达到1.0 TPa），因此成为制备高性能铝基复合材料的理想增强体[5-7]。但是，石墨烯片层间存在分子间作用力使其极易团聚，降低复合材料性能；同时石墨烯与铝基体之间润湿性差，导致两者界面结合较弱，严重影响了铝基体的力学性能[8-9]。由于这两方面原因，石墨烯对铝基复合材料力学性能的增强效果减弱，因此需要系统、全面地分析石墨烯对铝基复合材料力学性能的影响规律。本文主要介绍石墨烯增强铝基复合材料的力学性能，包括硬度、拉伸性能和耐磨性能，并进一步分析石墨烯增强铝基复合材料力学性能的特点以及机理，为石墨烯增强铝基复合材料的深入研究及应用提供理论支撑。

1 石墨烯增强铝基复合材料的力学性能

1.1 硬度

硬度是衡量材料软硬程度的一个力学性能指标，很多研究者将石墨烯加入到铝基体中，提高了基体的硬度。印度研究者TIWARI等[10]采用累积复合轧制技术制备了质量分数为0.1%的石墨烯铝基复合材料，与采用相同工艺的纯铝相比，复合材料的硬度提高20%。ZHANG等[11]采用机械球磨和热压工艺制备了石墨烯增强铝基复合材料并测试了其维氏硬度，结果显示铝合金基体和含1.0%石墨烯的铝基复合材料的平均硬度分别为81.2 HV和174.7 HV。可见，通过添加石墨烯，复合材料的硬度提高1倍多，这主要是由于石墨烯起到了晶粒细化、奧罗万强化和热错配强化作用。LIU等[12]采用原位气相沉积和粉末冶金法制备了Cu修饰的石墨烯增强铝基复合材料，结果表明，与纯铝相比，含2.0%石墨烯复合材料的硬度提高6倍多，达到183 HV。这个硬度值不仅优于其他碳纳米相增强铝基复合材料的硬度，甚至接近于普通碳钢的硬度。如此明显的增强效果，主要是由于在铝基体中形成一定质量分数的Al2Cu化合物，并且在远离Al2Cu相的部位形成少量纳米级Al4C3相，而这两个硬质相的存在提高了复合材料的硬度。以上分别是采用不同制备方法研究了一种石墨烯质量分数对复合材料硬度的影响，不能定性得出石墨烯质量分数对复合材料硬度的影响规律。

为了进一步确定石墨烯质量分数对铝基复合材料硬度的影响，有许多研究者研究了不同石墨烯质量分数对铝基复合材料硬度的影响，并得到了两种结果。

一种结果表明，随着石墨烯质量分数的增大，铝基复合材料的硬度呈现增大的趋势。SERETIS等[13]以铸铝为基体材料，通过机械搅拌法制备了石墨烯增强铝基复合材料，当石墨烯质量分数在0.0%～0.2%时，铝基复合材料的硬度呈现了一直增大的趋势，分别为51.2 HV（0.0%）、54.3 HV（0.1%）和55.2 HV（0.2%），这主要是由于晶粒细化和在含0.2%石墨烯的铝基复合材料中形成了Al4C3相。LI等[14]采用高能球磨和真空热压法制备了石墨烯/铝基复合材料，并指出石墨烯质量分数在0.0%～1.0%范围内时，铝基复合材料的硬度随着石墨烯质量分数的增大而提高，这被认为是石墨烯的强化作用和Al4C3相的存在。KHAN等[15]采用球磨和粉末冶金工艺制备了石墨烯/铝基复合材料，结果显示在石墨烯质量分数为0.0%～5.0%时，其复合材料的硬度随着石墨烯质量分数的增大而增大，即当石墨烯质量分数为5.0%时，铝基复合材料的硬度达到（28±4）HV，相比纯铝的（22±3）HV提高了35%，经过分析推测石墨烯的均匀分散和复合材料的密实化是提高其硬度的主要因素。综合来看出现这种结果的原因主要是石墨烯均匀分散和石墨烯与铝基体界面处形成Al4C3相使铝基体的硬度呈现一直增大的趋势。

另一种结果表明，随着石墨烯质量分数的增大，铝基复合材料的硬度呈现出先增大后减小的趋势。HSIEH等[16]和AZAR等[17]分别制备了石墨烯质量分数在0.0%～0.5%和0.0%～1.0%范围内的铝基复合材料，均指出随着石墨烯质量分数的增大，铝基复合材料的硬度先增大后降低，且当石墨烯质量分数为0.25%时，铝基复合材料的硬度达到最大。ALGHAMDI等[18]也得到了类似的结果。DU等[19]通过粉末冶金和轧制相结合的方法制备了石墨烯质量分数在0.0%～1.2%范围内的铝基复合材料，结果表明随着石墨烯质量分数的增大，复合材料的硬度先增大后降低，其中含0.7%石墨烯的铝基复合材料的硬度最大为（89.3±3.2）HV，与纯铝的（64.0±2.0）HV相比，增长了39.5%。此外，BISHT等[20]和PATIL等[21]分别采用放电等离子体烧结技术和熔体铸造法制备了石墨烯质量分数在0.0%～5.0%和0.0%～2.0%范围内的铝基复合材料，结果均表明石墨烯质量分数为1.0%时，铝基复合材料的硬度达到最大。另外，有研究者制备了镍修饰的石墨烯增强铝基复合材料，指出石墨烯质量分数分别在0.0%～1.0%和0.0%～2.0%范围内时，铝基复合材料的硬度随着石墨烯质量分数的增大表现出先增大后降低的趋势，其中当镍修饰石墨烯的质量分数分别为0.7%和1.5%时，铝基复合材料的硬度达到最大[22-23]。由此可见，用于提高铝基复合材料硬度的石墨烯最优添加量不一致，主要是由于制备方法或工艺不同导致石墨烯在铝基体中的存在状态不一致。但在现有实验条件下，研究结果都是随着石墨烯质量分数的增大，铝基复合材料的硬度呈现出先增大后减小的趋势，出现这种结果主要是随着石墨烯添加量增大，石墨烯出现团聚现象。

因此，石墨烯质量分数对铝基复合材料硬度的影响主要取决于石墨烯在铝基体中的分散情况和二者界面处是否形成了硬质相。

1.2 拉伸性能

拉伸性能是通过应力-应变曲线反映材料在外载荷作用下性质发生变化的特征，主要包括屈服强度、抗拉强度和延伸率等。研究者们通过多种先进技术和方法制备了石墨烯增强铝基复合材料，并且通过添加石墨烯显著提高了铝基复合材料的屈服强度[24-25]和抗拉强度[25-27]，增强机理主要包括细晶强化、奧罗万强化、应力转移和界面热错配等。但是有研究者指出，添加石墨烯会增大铝基复合材料的脆性并降低其延伸率[20,23,28-31]。为了在提高铝基复合材料强度的同时尽量保持其较好的韧性，研究者们尝试了很多新的制备方法。赵乃勤课题组利用原位化学气相沉积和粉末冶金法制备了金属修饰的石墨烯/铝基复合材料，结果表明采用这种方法不仅提高了铝基复合材料的抗拉强度，而且使其保留了较好的延伸率[12,22]。XIE等[32]采用形变驱动冶金法制备了石墨烯增强铝基复合材料并研究了其拉伸性能，结果显示铝基复合材料的抗拉强度与1 060纯铝相比提高了317%，达到497 MPa，并且复合材料保持了15.2%的延伸率。DIXIT等[33]采用搅拌摩擦加工技术制备了石墨烯增强铝基复合材料，指出含石墨烯铝基复合材料的延伸率达到（26±1）%，保持了较好的延展性。ZHANG等[34]采用同样的方法获得石墨烯增强铝基复合材料，并且通过拉伸实验证明：与纯铝（21.65±1.65）%的延伸性相比，铝基复合材料的延伸率不但没有降低，反而达到（29.32±5.76）%，提高了35.4%。

研究者们还研究了石墨烯质量分数对铝基复合材料拉伸性能的影响。与石墨烯对铝基复合材料硬度的影响类似，也出现两种研究结果。一种研究结果指出，随着石墨烯质量分数的增大，铝基复合材料的拉伸性能呈现一直增强的趋势[12,30,35]。而另一种研究结果指出，随着石墨烯质量分数的增大，铝基复合材料的拉伸性能呈先增大后减小的趋势[13-14,20-23,28,36-37]。出现这两种不同的结果主要存在两方面原因：石墨烯在铝基体中的分散情况和石墨烯与铝基体之间界面结合的强弱。而这两个方面均受到制备方法和石墨烯添加量的影响：不同的制备方法分散石墨烯的效果不同，且随着石墨烯添加量的增大，在铝基体中分散石墨烯会更加困难，容易使其团聚，导致应力集中出现孔隙。同时，团聚的石墨烯也会促使石墨烯与铝基体之间形成弱的结合界面，影响石墨烯的增强效果。LI等[36]通过理论计算指出合适的石墨烯质量分数应低于4%。此外，石墨烯与铝基体之间润湿性较差，如果不能通过技术手段改善两者之间的润湿性，也会造成两者之间界面结合较弱，导致铝基复合材料强度降低。

1.3 耐磨性能

耐磨性能是指材料抵抗机械磨损的能力，衡量指标主要有磨损率和摩擦系数。ZHANG等[38]通过球磨和粉末冶金法获得了含1.0%的石墨烯铝基复合材料并进行了干滑动摩擦磨损实验，结果表明：铝基复合材料的磨损率和摩擦系数分别为0.002 9 mm3/（N·m）和0.385，与铝合金基体[磨损率0.019 4 mm3/（N·m）和摩擦系数0.632]相比分别降低85.0%和39.1%。该研究团队已在之前的研究[11]中指出此铝基复合材料的硬度提高1倍多，因此该铝基复合材料具有更好的耐磨性；同时研究还发现摩擦接触界面形成具有防护作用的润滑膜，起到了降低摩擦系数的作用。FERNÁNDEZ等[39]采用搅拌摩擦加工技术制备了石墨烯增强铝基复合材料，研究了搅拌摩擦工具的旋转速度和前进速度对该复合材料摩擦行为的影响，结果显示通过添加石墨烯，铝基体的摩擦系数从0.57下降到0.38，这主要是由于含石墨烯的铝基复合材料在摩擦表面形成一层有润滑作用的薄膜，降低其摩擦系数；该研究还指出在现有实验条件下，工具旋转速度越低，石墨烯/铝基复合材料的摩擦系数越低；工具前进速度越低，该复合材料磨损量越小。综合以上研究结果来看，石墨烯提高铝基复合材料耐磨性的机理主要有两个原因：（1）石墨烯提高铝基复合材料的硬度，进而提高其耐磨性；（2）石墨烯的自润滑作用有利于降低铝基复合材料的摩擦系数和磨损率。

2 结语

本文从硬度、拉伸、耐磨3个方面介绍了石墨烯对铝基复合材料力学性能的影响，探究了不同石墨烯质量分数对铝基复合材料力学性能的影响规律，并分析了石墨烯对铝基复合材料力学性能的影响机理。从总体来看，虽然通过添加石墨烯显著提高了铝基复合材料的力学性能，但是并未达到预期的效果。石墨烯增强铝基复合材料仍面临严峻的挑战，需进一步考虑并深入研究以下几个问题。

（1）石墨烯分散是提高铝基复合材料力学性能的关键所在，需要进一步探索新方法或新技术实现石墨烯更好的分散效果。

（2）石墨烯与铝基体的界面结合情况对铝基复合材料的力学性能产生重要影响，需要进一步考虑石墨烯与铝基体之间的润湿性以及二者之间的化学反应条件，尽量避免脆生相出现，形成稳定的界面结合并提高界面结合强度。

（3）石墨烯的独特结构使其具有优异的性能，若石墨烯的结构遭到破坏势必影响复合材料的性能，因此需要考虑并分析分散处理后石墨烯的结构完整性。