1、第 46 卷第 2 期固 体 火 箭 技 术Journal of Solid ocket TechnologyVol46 No2 2023纳米碳/铝复合材料的制备、界面改性与增强机制研究进展邓海亮1，2*，万梓涵2，任可聪2，李肖亮2，史雨程2，白志云2，张晓虎3(1安徽工业大学 先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室，马鞍山243002;2安徽工业大学 材料科学与工程学院，马鞍山243002;3西安航天复合材料研究所，西安710025)摘要:以石墨烯和碳纳米管为代表的纳米碳是发展结构功能一体化铝基复合材料的理想增强材料，但纳米碳分散难、与铝润湿差及不良的界面结合等限制了增强效果。针对
2、此问题，介绍了纳米碳/铝复合材料熔融铸造和粉末冶金制备方法的改进及新发展的制备技术，从表面化学改性、涂层及纳米粒子修饰方面总结了纳米碳表面处理与增强铝基复合材料的研究现状。基于纳米碳/铝的界面结合机制，综述了表面改性前后反应和扩散型界面的形成过程及它们与机械锚结型界面对载荷传递的影响、改善途径;分析了纳米碳/铝复合材料研究中涉及的主要增强机制、影响因素和增强效果，并展望了提升该复合材料结构与功能性能的研究重点。关键词:铝基复合材料;碳纳米管;石墨烯;界面改性;增强机制中图分类号:TB33文献标识码:A文章编号:1006-2793(2023)02-0231-22DOI:107673/jissn1
3、006-2793202302008eviews on fabrication，interface modification and reinforcingmechanism of nanocarbon/aluminum compositesDENG Hailiang1，2*，WAN Zihan2，EN Kecong2，LI Xiaoliang2，SHI Yucheng2，BAI Zhiyun2，ZHANG Xiaohu3(1Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology of Advanced Metal Materials
4、，the Ministryof Education，Anhui University of Technology，Maanshan243002，China;2School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan243002，China;3Xian Aerospace Composites esearch Institute，Xian710025，China)Abstract:Nanocarbon represented by graphene and carbon nanotube
5、 is the ideal reinforcement for developing aluminum matrixcomposites with integrated structural and functionial properties However，the high difficulty of nanocarbon dispersity，the poor wet-ting and bonding of nanocarbon/aluminum interface limit the reinforcing effect Aiming these issues，the improvem
6、ents of melt cast-ing and powder metallurgy methods and the new technologies for preparaing nanocarbon/aluminum composites were introduced inthis paper Meanwhile，the research status on the surface treatment of nanocarbon and its reinforced aluminum matrix compositeswas summarized from the aspects of
7、 surface chemistry modification，coating and nanoparticle decoration Based on the bondingmechanism of nanocarbon/aluminum interface，the formation processes of reaction and diffusion interfaces were reviewed before andafter the surface modifications The contributions of the reaction，diffusion，and mech
8、anically-anchored interfaces on the transfertransfer together with the ways to improve them were also revealed The influence factors and reinforcing effects of main reinforcingmechanisms involved in the studies of nanocarbon/aluminum composites were analyzed The investigation focuses on further impr
9、o-ving the structural and functional properties of the composites were proposed finallyKey words:aluminum matrix composites;carbon nanotube;graphene;interface modification;reinforcing mechanism132收稿日期:2022-09-21;修回日期:2022-12-03。基金项目:国家自然科学基金(51972002);安徽省高校自然科学研究重大项目(KJ2021ZD0040)。通讯作者:邓海亮，男，博士/教授/博
10、导，研究方向为复合材料。0引言铝基复合材料兼具铝合金低密度、高导热导电及增强材料强度模量高、热胀系数低、耐磨损等特点，因而作为轻质结构与功能材料应用于航空航天、国防军工、交通、通讯电子等领域12。如铝基复合材料已用作飞机、卫星、航天飞机等的主承力件、涡扇发动机导流叶片、火箭连接裙、导弹部件及月球车的耐磨与结构件23。通讯和雷达系统的射频与微波器件封装也采用该材料34。铝基复合材料常以碳纤维、硼纤维及SiC、B4C、Al2O3颗粒等增强，在提升强度和耐磨性的同时，牺牲了塑性与导热导电性能5。以石墨烯或石墨烯纳米片(Gr 或 GNP)、碳纳米管(CNT)为代表的纳米碳材料因优异的力学、导热与导电性
11、能，特别是理论热导率(5300 W/(mK)优于铜、铝及传统增强体，电阻率低(108m)，是发展结构功能一体化铝基复合材料的理想增强体68。纳米碳分散均匀性及其与铝基体的界面结合直接影响强化效果。纳米碳尺寸小、密度低、比表面能高，比微米级颗粒更易团聚，不利于其功能的发挥12。纳米碳/铝界面包含机械结合、扩散结合和反应结合的一种或多种，反应结合的界面强度高，机械结合强度低9。铝基复合材料的制备主要为熔融铸造和粉末冶金法，低制备温度(550)下，因纳米碳与铝的润湿性差，界面呈机械结合，限制强化效果;升高烧结或铸造温度对提高二者润湿性有利，但生成大量的 Al4C3相及铝晶粒异常长大不利于材料性能9。
12、表面化学和涂层改性是提升纳米碳分散性及界面结合的有效途径，本质是提高界面润湿性，改变界面相、限制 Al4C3生成，改善载荷和功能传递效应10。本文围绕纳米碳/铝复合材料研究存在的问题，介绍常用制备方法的改进和新发展的技术，综述纳米碳表面改性、纳米碳/铝界面及强化机制的研究，并对进一步提升该复合材料的结构与功能性能进行了展望。1纳米碳/铝复合材料的制备技术熔融铸造和粉末冶金是纳米碳/铝复合材料常用的制备方法，改进目标为提升纳米碳分散性和界面结合，控制界面反应2，10。针对此，纳米尺度分散、分子尺度混合、纳米碳原位合成、放电等离子烧结(SPS)、激光 3D 打印、搅拌摩擦(FSP)等分散/制备技术
13、被发展和应用。11熔融铸造法及改进技术熔融铸造法中纳米碳的分散依赖机械搅拌、超声波与电磁搅拌2，1114，采用压力或无压浸渗、热挤压、热轧等提高致密度和界面结合1418。但纳米碳引入量低、易团聚，高温引发界面反应，需优化分散和铸造工艺并对其表面处理。搅拌铸造改进涉及搅拌温度、方式、速率及添加Mg 为润湿剂等1819。温度略低于铝熔点的半固相搅拌可 提 升 纳 米 碳 的 分 散、减 轻 界 面 反 应1012。GHAZANLOU 等12 控制涡轮搅拌转速 350 r/min 在半固相(650)的 7075Al 中添加 GNP 和 CNT，发现GNP 分散难于 CNT，基体孔隙率高，需热轧致密1
14、7。超声搅拌借助超声波的空化作用、声流和机械效应提高纳米碳与铝润湿性、减少团聚并细化晶粒11，13。徐驰13 用该方法在铝熔体中分散 GNP 和 CNT，但质量分数高于 06%后团聚严重，需在控制界面反应的同时，提高功率和时间或使用电磁搅拌辅助分散12，14。将铝熔体压力浸渗到纳米碳预制体的方法，对提高纳米碳含量及界面结合有利1011。预制体由纳米碳与铝粉混合压制而成，混合方式有球磨、超声及磁力分散。YU 等20 将 GNP 与铝粉混合并压制预制体，用压力浸渗+热挤压法制备了界面紧密且力学和电导率较高的铝基复合材料。SHAO1617 和 YANG 等21 研究表明，压力浸渗法可控制 Al4C3
15、相、提升 GNP 含量及强化效率，Mg 有助于提高润湿性并抑制 Al4C3。低压或真空浸渗对预制体挤压变形小，减轻纳米碳移动22。采用纳米碳原位合成23 或表面修饰纳米金属2425 后制备的纳米碳/铝泡沫，因强度和孔隙率高，可作为预制体使用。研究者基于氧化石墨烯(GO)自组装、模板生长法构筑 3D 网状结构26，若能有效提高其强度，就有望用作预制体。图 1 为低压及真空浸渗3D 网状纳米碳/铝复合材料的示意图。图 1低压及真空浸渗 3D 网状纳米碳/铝复合材料示意图26 Fig1Schematic diagram showing 3D net-like nanocarbon/a-luminum
16、 composites prepared by low pressure and vac-uum infiltration processes26 12粉末冶金法及改进技术粉末冶金法利用冷压+热压、冷等静压、热等静压等将纳米碳与颗粒或片状铝粉混合物压制成复合材料2，11。问题是纳米碳的均匀分散仍较难、易被磨球损伤，长时间高温烧结加剧界面反应。2322023 年 4 月固体火箭技术第 46 卷为降低球磨对纳米碳的损伤并提升分散性，料浆共混、纳米尺度分散、分子尺度混合等方法被发展。LIU 等2728 分别将 GNP 和 CNT 与片状铝粉料浆混合，经粉末冶金+热挤压/热轧制备纳米碳/铝复合材料，发现料浆共混对纳米碳损伤小，且分散均匀。研究者以橡胶或聚乙烯醇(PVA)为介质，将纳米碳与铝粉或片混匀，加热去除聚合物得到复合粉末(称纳米尺度分散法)，利用 SPS 和热挤压法制备了界面紧密且性能优异的复合材料2930。CHA31 和 LEE32 将羧基化的纳米碳与硝酸铝液混匀，铝离子吸附在纳米碳上后干燥、焙烧，粉末冶金得到高性能复合材料。由于铝离子和纳米碳呈分子尺度的结合，分散均匀，故称分子尺度混