石墨烯-純鋁復(fù)合材料的制備及其性能研究.pdf

1、石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)和物理性能，用其增強(qiáng)鋁可獲得高強(qiáng)，高導(dǎo)電的復(fù)合材料，這對(duì)于電力傳輸技術(shù)會(huì)產(chǎn)生巨大的技術(shù)推動(dòng)?；谀壳斑€未有關(guān)于液態(tài)法制備出石墨烯/純鋁復(fù)合材料的相關(guān)報(bào)導(dǎo)，本文選擇了高比表面積的石墨烯和純鋁粉通過(guò)高能球磨混粉和壓力浸滲相結(jié)合的方法制備了石墨烯/純鋁復(fù)合材料，并選擇合適的擠壓工藝進(jìn)行了后續(xù)的擠壓變形，以使石墨烯定向排布和打開(kāi)多層石墨烯片層，研究了擠壓變形前后材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能等。復(fù)合材料性能的測(cè)試都是經(jīng)320℃，2

2、h的去應(yīng)力退火后進(jìn)行的。
　　通過(guò)對(duì)球磨工藝的探索，獲得了鋁粉和復(fù)合粉體合適的球磨工藝，分別為球料比為5：1，300rpm+1.5h和球料比為5：1，300rpm+3h，在此球磨工藝下，石墨烯能夠在不被破壞的情況下較為均勻地分散包覆在鋁粉顆粒的表面，再用壓力浸滲法通過(guò)工藝的調(diào)試制備出石墨烯/純鋁復(fù)合材料。
　　擠壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，石墨烯/純鋁復(fù)合材料的表面質(zhì)量對(duì)熱擠壓溫度很敏感，該復(fù)合材料在擠壓比為13:1的情況下最佳溫度為48

3、0℃；經(jīng)過(guò)擠壓之后復(fù)合材料的中大晶粒消失，平均晶粒尺寸減小到10～20微米左右，平行于擠壓方向的晶粒被拉長(zhǎng)，晶粒粒度分布均勻；材料的致密度提高了0.98％~1.93%。
　　對(duì)壓鑄態(tài)退火后的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，表明在純鋁基體中加入石墨烯能夠顯著提高材料的力學(xué)性能。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.21%時(shí)，彈性模量、抗拉強(qiáng)度隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加單調(diào)增加，分別達(dá)到了75.8GPa和181.67MPa，較基體提高了7.21%和58.28%；

4、復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度是在石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.54時(shí)，達(dá)到了最大值335.96MPa，較基體提高了68.01%。復(fù)合材料的延伸率隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降，但是都高于基體，最大延伸率達(dá)到了9.08%，分析認(rèn)為，少量石墨烯的加入能夠通過(guò)石墨烯褶皺的展平來(lái)緩解應(yīng)力集中。當(dāng)石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.21%時(shí)，石墨烯在基體中會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，這些石墨烯團(tuán)聚體降低了基體的塑性變形能力，裂紋容易在石墨烯團(tuán)聚處擴(kuò)展，導(dǎo)致材料過(guò)早斷裂，延伸率降低，強(qiáng)度不

5、能發(fā)揮出來(lái)。經(jīng)熱擠壓變形后，復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性得到了大幅度的提高，其中復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加而后減少，在石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.54%時(shí)達(dá)到了最高值，達(dá)到了227.19MPa，較擠壓之前的提高了33.75%；擠壓之后復(fù)合材料的延伸率比擠壓之前有了顯著的提高，但是變化趨勢(shì)與擠壓之前的是一樣的。
　　透射電鏡下沒(méi)有觀(guān)察到石墨烯，對(duì)拉伸斷口分析發(fā)現(xiàn)石墨烯的二維平面與拉伸方向垂直對(duì)強(qiáng)化不利，這是由于石墨烯片層之間

6、的分子間作用力很小，很容易在外力作用下脫離開(kāi)來(lái)，從而成為裂紋萌生的位置；二維平面與拉伸方向垂直的石墨烯片層對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)化有利，這種石墨烯能夠充分發(fā)揮石墨烯自身作為增強(qiáng)體的強(qiáng)化作用，從而使得復(fù)合材料的強(qiáng)度提高；對(duì)比擠壓前后斷口，可以發(fā)現(xiàn)擠壓后斷口處的石墨烯明顯減少了，這是因?yàn)槭┢瑢釉跀D壓過(guò)程中被打開(kāi)，在基體中的分散更為彌散，層數(shù)更少，不易被觀(guān)察到所導(dǎo)致的，這種擠壓變形效應(yīng)使石墨烯片層打開(kāi)，分布更彌散，使得晶粒更為細(xì)化，同時(shí)還能夠發(fā)揮

7、石墨烯的強(qiáng)化作用，因而使得擠壓后復(fù)合材料無(wú)論是強(qiáng)度還是塑性都有所提高。
　　導(dǎo)電性能測(cè)試表明，在基體中加入石墨烯能夠在大幅度提高材料的導(dǎo)電性能，但需要合適的添加量。復(fù)合材料的導(dǎo)電性能都高于基體，在本實(shí)驗(yàn)條件下最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.21%，電導(dǎo)率達(dá)到41.05%IACS。經(jīng)過(guò)13:1的擠壓比擠壓后電導(dǎo)率進(jìn)一步提高，達(dá)到了49.83%IACS，較壓鑄態(tài)基體提高了80.35%IACS，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%的復(fù)合材料提高了21.39%。當(dāng)石墨

8、烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定范圍時(shí)，擠壓工藝才能夠明顯提高材料的電導(dǎo)率。
　　對(duì)擠壓前的復(fù)合材料進(jìn)行熱膨脹性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)石墨烯的少量加入能夠降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，石墨烯會(huì)限制基體的自由膨脹，使其熱膨脹系數(shù)降低。
　　對(duì)擠壓加工提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性及電導(dǎo)率的機(jī)理分析認(rèn)為：復(fù)合材料進(jìn)行熱擠壓變形后，一是提高了材料的致密度，降低孔隙率；二是由于在擠壓過(guò)程中，由于基體與石墨烯之間的剪切應(yīng)力大于石墨烯片層之間的分子間結(jié)合力，使得多層石墨烯