1、石墨烯增强铝基复合材料制备技术及强化机制研究进展刘文义1*,胡小会2,李亚鹏1,唐玲1,张会1（1陕西理工大学材料科学与工程学院,陕西汉中723000；2陕西理工大学土木工程与建筑学院,陕西汉中723000）摘要：具有二维平面结构和优异综合性能的石墨烯已成为铝基复合材料制备的理想增强体之一。本文主要介绍了液态成形法、粉末成形法和复合加工工艺等三大类石墨烯增强铝基复合材料制备技术。通过对不同类型制备技术的原理分析，结合石墨烯增强铝基复合材料的四种强化机制，总结出石墨烯增强铝基复合材料的发展方向应以复合材料的基础理论研究、制备技术的突破和大规模的工业化应用为主。关键词：石墨烯；铝基复合材料；制备方
2、法；微观组织；强化机制doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000030中图分类号：TB333文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0051-09Research progress on preparation technology and strengthening mechanism ofgraphene reinforced aluminum matrix compositesLIUWenyi1*,HUXiaohui2,LIYapeng1,TANGLing1,ZHANGHui1（1.SchoolofMaterialsSciencean
3、dEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi,China；2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi,China）Abstract:Graphene has become one of the ideal reinforcers for aluminum matrix composites due to its unique structuralcharacteri
4、sticsandexcellentproperties.Thispapermainlyintroducesthepreparationtechnologyofthreecategoriesofgraphene-reinforcedaluminummatrixcomposites,includingtheliquidformingmethod,powderformingmethodandcompositeprocessingtechnology,and so on.Base on analyzing the principle of different types of preparation
5、technology,combined with fourstrengthening mechanisms of graphene-reinforced aluminum matrix composites,the development trend of graphene reinforcedaluminummatrixcompositesisprospected,includingthebasictheoreticalresearch,thebreakthroughofpreparationtechnologyandlarge-scaleindustrialapplicationofcom
6、posites.Key words:graphene；aluminummatrixcomposites；preparationtechnology；microstructure；strengtheningmechanism铝和铝合金在航空航天和汽车交通等现代工业领域应用广泛。而今铝及铝合金在比强度、塑韧性和加工性能等方面已经跟不上现代工业技术飞速发展的需求，如航空航天飞行器在结构设计上要减轻质量，就要求在选材上做到质量更轻、强度更高、韧性更好，因此铝基复合材料应运而生。铝基复合材料的高强度来自添加的增强相以及增强相与基体金属的复合界面，研究人员在铝基增强复合材料所能添加的增强相方面做了大量的研
7、究工作，目前能够用于铝基复合材料的增强相的种类按照其形貌主要分为以下三种：（1）颗粒增强相。包括SiC1-2、石墨3-4、TiC5、Al2O36和 B4C7-8等，上述颗粒状增强相的尺寸大多在微米级，加入铝基体后，虽然铝合金材料力学性能得以提高，但塑性会变差；（2）纤维增强相。主要是碳纤维9-10，其单丝直径约 7m，但在 550 以上碳纤维增强相容易与铝发生化学反应，形成 Al4C3脆性相，对复合材料力学性能有重要影响11；（3）片状增强相。包括2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第5159页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.51
8、59碳纳米管12-14、石墨烯15-21等，此类增强相尺寸一般在纳米级，在基体材料中均匀分布有利于材料力学性能的提高。与颗粒增强相和纤维增强相相比，石墨烯由于独特的结构和性能，将其作为增强相加入铝材料中，可在很大程度上改善铝合金材料的抗拉强度、屈服强度、硬度和抗弯刚度等力学性能16。目前，作为强化相加入金属基体的石墨烯应用较多的是石墨烯纳米片，其尺寸比单层石墨烯大，但性能和单层石墨烯相似，且比单层石墨烯容易制备、储存和控制22，被认为是制备石墨烯纳米复合材料特别是以铝合金为基体的复合材料的一种良好的纳米增强体19,23-24。研究人员从制备工艺角度出发，围绕其强化机制、界面形成机理及性能等方面
9、进行了大量的实验研究，以期改善铝合金材料力学性能不足，满足其在现代制造业的应用需求。本文对近几年石墨烯铝基复合材料在制备工艺、力学性能和强化机制等方面所取得的重要成果进行归纳总结，并对石墨烯增强铝基复合材料未来的发展趋势进行展望。1 石墨烯铝基复合材料的制备工艺对石墨烯增强铝基复合材料的力学性能、微观组织和强化机制等进行研究的前提是复合材料的制备工艺，其制备需要解决的主要问题是：（1）石墨烯均匀分散；（2）石墨烯与铝能够形成结合能力较好的界面。目前，可制备石墨烯增强铝基复合材料的工艺技术按照制备工艺中的铝基体状态主要分为以下三种：液态成形法、粉末成形法和复合加工成形法。1.1 液态成形法铝基体
10、材料在成形过程中呈熔融状态，可以将搅拌铸造、挤压铸造、3D 打印中的激光选区熔化工艺等归类为液态成形工艺。该方法是将石墨烯与铝基体的混合粉末添加到熔融态铝中冷却或者石墨烯与粉末铝混合再熔融冷却获得石墨烯增强铝基复合材料，其优点是生产效率高，易于实现量产；其缺点是在高温下增强相石墨烯容易和金属铝发生反应，生成脆性相 Al4C3，同时由于液态成形法属于铸造工艺的一种，制备过程中易产生气孔、缩孔等铸造缺陷，以致材料组织不够致密，而且石墨烯易团聚，难以实现均匀分布。针对在搅拌铸造中容易产生气孔的问题，可以通过石墨烯预处理和改进搅拌铸造工艺来减少气孔，降低孔隙率，比如在混合粉末之前先对石墨烯进行超声分散
11、处理，再采用搅拌铸造工艺25将石墨烯加入铝基体。超声震动能够有效分散石墨烯，搅拌铸造工艺的优势之一是可以减少复合材料的铸造缺陷，Alipour等26将两者有机结合成功制备了组织相对比较致密、石墨烯分布均匀的石墨烯-AA7068 铝基复合材料。为了获得组织更加致密的石墨烯铝基复合材料，Venkatesan等27采用挤压铸造工艺制备了石墨烯-7050 铝合金复合材料，研究表明，挤压铸造工艺中的压力有助于消除气孔、缩松等铸造缺陷，降低气孔率，尤其是石墨烯质量分数为 0.3%时效果更为明显。显然，复合材料孔隙率除了和制备工艺相关以外，还和增强体的含量相关。二维平面形态的石墨烯与铝基体容易有较大的接触，
12、随着石墨烯体积分数的增加，石墨烯与铝基体接触的比例增大，同时，石墨烯也越容易团聚形成孔洞，以致复合材料的孔隙率也逐渐增加28，因此增强体石墨烯的含量适当才能使复合材料的孔隙率足够低，从而获得组织相对比较致密的复合材料，有利于复合材料力学性能的提高。3D 打印技术29作为一种新型增材制造方法在制备石墨烯铝基复合材料方面与挤压铸造、搅拌铸造等工艺具有同等重要地位。该技术利用计算机建模软件进行三维建模，用切片软件对模型切片分层，将分层信息输入由计算机控制的 3D 打印机中打印成形。激光选区熔化技术(selectivelasermelting,SLM)作为目前应用最为广泛的金属增材制造技术，在制备复杂
13、零件方面具有广阔的应用前景30。SLM 通过对金属粉末床进行选择性局部熔化，层层熔覆堆积，直接一次成形获得性能良好的致密金属零件31。Hu 等32通过球磨混粉方式将石墨烯加入铝粉，利用 SLM 技术制备了不同石墨烯含量的性能优良的铝基复合材料，因强化相石墨烯的存在复合材料的硬度比纯铝增加了75.3%，但是在 3D 打印过程中产生了圆棒状的Al4C3相。通过调整石墨烯和铝粉的预处理工艺，即有机铝还原包覆于石墨烯，再采用 3D 打印技术制备石墨烯铝基复合材料也会产生少量 Al4C3相30。Tiwari 等33将石墨烯和 AlSi10Mg 按照 31 混合后球磨，再采用粉末床熔化工艺(powerbe
14、dfusion,PBF)制备了石墨烯/AlSi10Mg 复合材料，该种工艺是否会生成 Al4C3相有待于进一步研究。由此可知，采用 3D 打印工艺因为加工温度过高需要将铝粉熔融，因此在制备石墨烯铝基复合材料时很容易产生 Al4C3相。52航空材料学报第43卷 1.2 粉末成形法粉末成形法包括热等静压、热挤压、高压扭转、烧结等工艺，其本质即粉末冶金法，是目前应用较为广泛的石墨烯增强铝基复合材料制备方法。该方法一般步骤是将石墨烯与铝粉按一定的比例采用球磨方法混合，之后采用压力加工如热挤压、高压扭转或烧结等工艺制备石墨烯增强铝基复合材料。粉末冶金法温度较高，若工艺参数控制不合理，铝和碳很容易发生反应
15、，反应产物 Al4C3相对于复合材料的力学性能会产生不同的影响，主要与Al4C3相的形状、含量和尺度有关。Li 等22采用高能球磨和真空热压工艺制备石墨烯铝基复合材料，结果显示，制备过程中铝和碳反应生成的棒状Al4C3相使复合材料的力学性能下降，而 Sun 等34认为复合材料力学性能的下降与 Al4C3相的含量有关。虽然 Al4C3相的存在可以提高复合材料的硬度和拉伸性能，但是较高含量的还原氧化石墨烯产生了高含量的 Al4C3相，导致复合材料力学性能降低。另外，Al4C3相对材料力学性能的影响和其尺寸紧密相关，如 Zhang 等35认为，在热加工工艺处理过程中石墨烯和铝生成的纳米级别的脆性相A
16、l4C3可以作为复合材料的有效强化相阻碍位错运动，从而提高材料的力学性能。Rashad 等36采用球磨和热挤压工艺制备的铝基复合材料力学性能由于石墨烯和 Al4C3相的共同作用而得到提高。由此可见，制备石墨烯铝基复合材料过程中 Al4C3相的产生是提高还是降低材料的力学性能还有待于进一步的系统研究。鉴于 Al4C3对复合材料力学性能影响的不确定性，可以换一种思路，考虑在制备石墨烯铝基复合材料的过程中不产生 Al4C3相。有研究认为石墨烯铝基复合材料在制备过程中脆性相 Al4C3的产生取决于以下条件37-38：铝晶粒与石墨烯的紧密接触是前提条件，在制备过程中的温度是环境条件，同时，在前期准备过程中保证石墨烯无缺陷，保持其结构完整和稳定性。在制备过程中控制好这几个因素就不易产生脆性相 Al4C3。Pu 等37制备的石墨烯铝基复合材料未产生脆性相 Al4C3，主要原因是球磨混粉过程中铝晶粒和石墨烯之间的间隙抑制了反应的进行，随后的热挤压过程消除了物理间隙从而获得紧密结合的铝碳界面，另外加工过程中的温度低于铝碳反应温度，在多种因素的综合作用下而未在复合材料中产生脆性相Al4C3。Li 等38利
