高強(qiáng)高導(dǎo)鋁?石墨烯復(fù)合材料研究進(jìn)展

劉 洋，李 雷，歷長(zhǎng)云，許 磊，米國(guó)發(fā)

1)河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454000

2)上海電機(jī)學(xué)院材料學(xué)院，上海 201306

3)中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，克拉瑪依 834000

自從2004年被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家Novoselov等[1]采用膠帶剝離法成功制備以來(lái)，石墨烯以其獨(dú)特的性能引發(fā)了全球性的研究熱潮。石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的正六邊形蜂窩狀二維材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能（楊氏模量可達(dá)1 TPa，斷裂強(qiáng)度約130 GPa）[2]、熱學(xué)性能（導(dǎo)熱系數(shù)約5000 W?m?1?K?1）[3]和電學(xué)性能（電子遷移率達(dá)200000 cm2?V?1?s?1[4]，電導(dǎo)率約108S?m?1[5]），是室溫下最好的導(dǎo)體材料。石墨烯的這些優(yōu)異性能使其可廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)、導(dǎo)電、防腐、半導(dǎo)體、新能源等領(lǐng)域[6]。單層石墨烯具有較大的比表面積（理論計(jì)算表面積為2630 m2?g?1[7]）和高的比強(qiáng)度[2]，因其納米片具有特有的褶皺結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)增韌機(jī)理有別于其它增強(qiáng)體材料，所制備的復(fù)合材料在提升強(qiáng)度的同時(shí)，不會(huì)犧牲其塑性性能[8]，因此，石墨烯被認(rèn)為是理想的新型金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體材料[8?9]。隨著科研人員對(duì)石墨烯材料研究的深入，其作為增強(qiáng)體材料已被廣泛應(yīng)用于陶瓷[10?11]、高分子樹(shù)脂[12]和金屬[6,13]等材料中，以獲得高強(qiáng)高韌性或功能性復(fù)合材料。

鋁合金及鋁基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度及比模量，優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電及延展性能，廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、電子封裝和輸電等領(lǐng)域。鋁?石墨烯復(fù)合材料作為金屬基復(fù)合材料中的一個(gè)重要研究方向，因其低密度、高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，在航天航空、汽車、電子封裝和輸電等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景[14?17]。隨著制備技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，鋁?石墨烯復(fù)合材料的制備工藝也越來(lái)越豐富，通過(guò)制備工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁?石墨烯復(fù)合材料力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能的可控，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)成為科研人員的目標(biāo)[18?20]。目前對(duì)鋁?石墨烯復(fù)合材料的研究多集中在力學(xué)性能和強(qiáng)韌化機(jī)理方面，對(duì)導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能及其機(jī)理研究較少。鮮有文章將鋁?石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能進(jìn)行綜合分析，探討其作為架空導(dǎo)線在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本文對(duì)鋁?石墨烯復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行了概述，對(duì)其力學(xué)性能和電學(xué)性能進(jìn)行了分析，探討了其作為架空導(dǎo)線的應(yīng)用前景及面臨的困難，并提出了未來(lái)可能的研究方向。

1 鋁?石墨烯復(fù)合材料制備的工藝及挑戰(zhàn)

石墨烯納米相作為金屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。與其它鋁基復(fù)合材料相比，鋁?石墨烯復(fù)合材料在提升材料強(qiáng)度的同時(shí)，能夠保持鋁基體良好的延展性、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，是最具潛力的新型金屬基復(fù)合材料之一[21?24]。作為金屬基納米復(fù)合材料的重要組成部分，鋁?石墨烯復(fù)合材料的制備過(guò)程面臨諸多挑戰(zhàn)[25]，如增強(qiáng)體的均勻分散，增強(qiáng)體與基體間的界面反應(yīng)及結(jié)合強(qiáng)度，石墨烯增強(qiáng)體的強(qiáng)化取向等；其中一部分挑戰(zhàn)源于材料的固有性質(zhì)，而另一部分則與制備工藝相關(guān)。通過(guò)調(diào)整制備工藝流程及后處理工藝可以解決部分難題，但制備出增強(qiáng)體均勻彌散、無(wú)有害界面反應(yīng)、各向同性的鋁?石墨烯納米復(fù)合材料仍然面臨的巨大挑戰(zhàn)。

1.1 鋁?石墨烯復(fù)合材料的制備工藝

近十年來(lái)，石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝一直是研究熱點(diǎn)。成分和結(jié)構(gòu)決定了材料的性能，復(fù)合材料的成分由其基體和增強(qiáng)體決定，而其結(jié)構(gòu)則與制備工藝密切相關(guān)。材料領(lǐng)域工作者為了研究鋁?石墨烯復(fù)合材料的性能，嘗試了各種不同的制備工藝，主要分為固態(tài)法和液態(tài)法兩大類，如圖1所示。固態(tài)法制備鋁?石墨烯復(fù)合材料首先需要將鋁粉和石墨烯納米相混合均勻，制備成混合粉末，再經(jīng)熱壓燒結(jié)[26]、熱擠壓[27]、熱等靜壓、高壓扭轉(zhuǎn)[28]、半固態(tài)燒結(jié)[29?30]、等離子燒結(jié)[31?32]等成型工藝制備成復(fù)合材料。液態(tài)法制備鋁?石墨烯復(fù)合材料分為壓力浸滲法[33]和熔融鑄造法[34?35]。壓力浸滲法需先制備出混合粉末，室溫下預(yù)壓成型，然后將預(yù)熱后預(yù)制塊置于純鋁液中，在壓力作用下使鋁液向預(yù)制塊內(nèi)部浸滲，從而獲得石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。熔融鑄造法是先將純鋁熔融，在攪拌過(guò)程中加入石墨烯，通過(guò)超聲分散使石墨烯在鋁液中分散均勻，最后冷卻成型得到鋁?石墨烯復(fù)合材料。

圖1 鋁?石墨烯常見(jiàn)制備方法Fig.1 Common preparation methods of the Al?graphene composites

1.2 鋁?石墨烯復(fù)合材料制備面臨的挑戰(zhàn)

石墨烯作為重要的新型納米增強(qiáng)體材料，其優(yōu)異的力學(xué)、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能深受各個(gè)領(lǐng)域關(guān)注。在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，石墨烯多以其高的斷裂強(qiáng)度和獨(dú)特的褶皺結(jié)構(gòu)對(duì)基體材料起到增強(qiáng)增韌作用。多數(shù)石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在保持良好塑性情況下，力學(xué)性能得到了顯著提升，但仍無(wú)法達(dá)到各項(xiàng)性能的理論值。鋁?石墨烯復(fù)合材料也遇到了其它碳材料增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料所面臨的難題[36]：①增強(qiáng)體分散不均勻，石墨烯納米片因其特有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相互作用，使其在基體中難以均勻分散，石墨烯含量較高時(shí)易于出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象[27]，造成復(fù)合材料缺陷增加，性能下降；②增強(qiáng)體與基體之間界面結(jié)合情況難以控制，一方面，石墨烯與鋁之間潤(rùn)濕性差，難以形成良好的結(jié)合界面，另一方面，制備過(guò)程中石墨烯易與鋁基體發(fā)生界面反應(yīng)，生成Al4C3相[37]，但Al4C3相的含量及尺寸難于控制，影響載荷傳遞，會(huì)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。

1.2.1 石墨烯的有效分散

石墨烯是由單層碳原子組成的二維晶體，由于其熱力學(xué)的不穩(wěn)定性，無(wú)論何種狀態(tài)下的石墨烯表面都存在微觀尺度的褶皺[38]。這種獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)、納米尺寸效應(yīng)以及與基體較差的潤(rùn)濕性，都使石墨烯更易發(fā)生團(tuán)聚，難以分散均勻。研究表明，可通過(guò)機(jī)械攪拌、高能球磨、表面改性以及液相分散等多種工藝相互配合來(lái)制備石墨烯均勻分散的混合粉末。綜合來(lái)看，制備混合粉末工藝可分為球磨攪拌分散、液相攪拌分散和表面預(yù)處理攪拌分散三種。

球磨攪拌分散依靠的是機(jī)械力來(lái)使石墨烯分散均勻，主要以球磨工藝作為基礎(chǔ)，按照球磨條件的不同，又可以分為低溫球磨和高能球磨兩種。Yan等[39]將石墨烯和鋁粉分散在無(wú)水乙醇中，采用低速球磨和機(jī)械攪拌結(jié)合的工藝制備混合粉末。Li等[27]則采用機(jī)械混合與液氮低溫球磨工藝相結(jié)合制備出石墨烯分散均勻的混合粉末。在液相狀態(tài)下，低的球磨溫度不但解決了石墨烯的團(tuán)聚難題，還有效避免了球磨過(guò)程中石墨烯與基體間的界面反應(yīng)。肖瑞[40]的研究表明，在固相狀態(tài)下，球磨轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，石墨烯可以附著在鋁粉表面，形成良好的包覆效果；當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)低（<200 r/min）時(shí)，石墨烯發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象；轉(zhuǎn)速過(guò)高（400～500 r/min）則會(huì)破壞石墨烯結(jié)構(gòu)。

液相攪拌分散和表面預(yù)處理攪拌分散都是利用氧化石墨烯本身含有大量官能團(tuán)的特性，使其在攪拌過(guò)程中吸附在鋁顆粒表面，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯均勻分散的目的。液相攪拌分散是將鋁顆粒和氧化石墨烯分散在液相中，通過(guò)高速攪拌使它們之間形成靜電吸附，從而實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯均勻分散在鋁顆粒表面[24,41]。

表面預(yù)處理攪拌分散是先對(duì)鋁粉表面進(jìn)行預(yù)處理，使其表面形成能與氧化石墨烯相互吸附的薄膜，改善鋁粉與氧化石墨烯間的潤(rùn)濕性，在液相攪拌過(guò)程中使氧化石墨烯均勻分散?；谙嗷ノ阶饔玫脑恚砻骖A(yù)處理攪拌分散可以分為兩類：第一類是氫鍵吸附。Wang等[9]在鋁微薄片表面引入親水的聚乙烯醇（PVA）膜，然后向鋁粉水溶液中逐滴加入氧化石墨烯分散液，通過(guò)機(jī)械攪拌使氧化石墨烯與鋁粉間形成良好吸附效果，達(dá)到均勻分散目的，最后加熱使改性劑分解并還原氧化石墨烯得到石墨烯包覆效果良好的混合粉末。第二類是靜電相互作用吸附。齊天嬌等[42]在鋁顆粒表面引入十六烷基三甲基溴化銨膜，使鋁粉顆粒表面帶有正電荷，然后向鋁粉水溶液中逐滴加入帶負(fù)電荷的氧化石墨烯膠體，通過(guò)攪拌使氧化石墨烯吸附在鋁顆粒表面，制成混合粉末。圖2為表面預(yù)處理攪拌分散制備混合粉末示意圖。

圖2 表面預(yù)處理分散工藝制備混合粉末流程圖Fig.2 Flowchart of the mixed powders by the surface pretreatment and dispersion process

1.2.2 石墨烯與鋁基體間的界面結(jié)合

對(duì)于含碳材料增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料而言，鋁?碳界面反應(yīng)的控制一直是提升鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。研究人員認(rèn)為碳（如碳纖維和碳納米管等）/鋁體系中的增強(qiáng)體與基體界面反應(yīng)生成Al4C3陶瓷相，破壞了增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)完整性，由于Al4C3不穩(wěn)定，遇水易分解，造成界面結(jié)構(gòu)缺陷，影響增強(qiáng)體與基體間載荷的有效傳遞，不能完全發(fā)揮增強(qiáng)體力學(xué)性能的增強(qiáng)效果。最早關(guān)于鋁?石墨烯復(fù)合材料的研究制備是由美國(guó)貝尼特實(shí)驗(yàn)室于2011年開(kāi)始的，Bartolucci等[43]采用球磨、熱等靜壓和擠壓等工藝方法制備出了Al?0.1%石墨烯復(fù)合材料 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)），復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度低于純鋁基體，研究認(rèn)為是復(fù)合材料中產(chǎn)生的Al4C3脆性相對(duì)材料的力學(xué)性能造成了不利影響。趙雙贊等[32]也通過(guò)放電等離子燒結(jié)（spark plasma sintering，SPS）技術(shù)研究了燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對(duì)石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在560 ℃和590 ℃下，隨燒結(jié)時(shí)間從4 min延長(zhǎng)到8 min，界面處都生成針狀A(yù)l4C3脆性相，并認(rèn)為這是造成復(fù)合材料拉伸性能下降的原因。Li等[37]研究了含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%、0.50%、1.00%石墨烯的增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至1.00%，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度下降，研究認(rèn)為是Al4C3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加造成了復(fù)合材料拉伸性能的下降。

近年來(lái)，有關(guān)碳/鋁體系中界面反應(yīng)與力學(xué)性能關(guān)系的研究已經(jīng)取得了新的進(jìn)展，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)原位形成碳化物納米結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是在碳/鋁體系中獲得強(qiáng)有力化學(xué)界面的有效途徑。對(duì)于鋁?石墨烯復(fù)合材料而言，適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)同樣可以獲得良好的結(jié)合界面，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)載荷的有效轉(zhuǎn)移，充分利用石墨烯增強(qiáng)體的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。Zhou等[24]首次演示了通過(guò)適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)來(lái)改善薄層石墨烯/Al復(fù)合材料的界面載荷傳遞和強(qiáng)度，并且獲得了良好的電學(xué)性能。Yu等[44]也認(rèn)為少量的界面反應(yīng)可以提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)整球磨工藝來(lái)控制界面結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁?石墨烯復(fù)合材料力學(xué)性能的調(diào)控。Zhou等[45]在碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中也發(fā)現(xiàn)了相似的Al4C3相連接碳納米管和鋁基體結(jié)構(gòu)，為復(fù)合材料力學(xué)性能提升提供了助力。因此，提升鋁?石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能還需要對(duì)其界面反應(yīng)進(jìn)行深入研究。

2 鋁?石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)和導(dǎo)電性能

2.1 力學(xué)性能

鋁基復(fù)合材料種類繁多，多數(shù)研究集中于提升材料的力學(xué)性能，傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的提升多以犧牲材料延展性為代價(jià)。在新一代碳材料增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，以碳納米管和石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料最受關(guān)注。這兩類復(fù)合材料在提升材料抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，不會(huì)犧牲基體材料的延展性，甚至因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)還可以提升材料的延展性，從而使得鋁基復(fù)合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學(xué)性能。目前對(duì)鋁?石墨烯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究較多，并且取得了較大進(jìn)展。在不同實(shí)驗(yàn)條件下，鋁?石墨烯復(fù)合材料相關(guān)力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同實(shí)驗(yàn)條件下的鋁?石墨烯復(fù)合材料力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the aluminum-graphene composites under the different experimental conditions

通過(guò)表1中數(shù)據(jù)可以看出，在純鋁基體中加入少量的石墨烯納米相，不僅可以有效的提升鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，并且保持了良好的延展性。通過(guò)對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)條件下鋁?石墨烯復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)同為0.5%的鋁基復(fù)合材料，在不同制備條件下，其抗拉強(qiáng)度的增幅多集中于20%左右，但其屈服強(qiáng)度波動(dòng)幅度較大，這不僅與基體材料純鋁的性質(zhì)和制備工藝有關(guān)，還與石墨烯的性能密切相關(guān)，不同片層厚度的石墨烯納米片具有顯著的性能差異[46]。由此可見(jiàn)，鋁?石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能不是簡(jiǎn)單的取決于石墨烯納米片含量。

Khan等[47]研究了不同含量石墨烯納米相 （GNPs）增強(qiáng)6061Al基復(fù)合材料的力學(xué)性能及T6熱處理對(duì)不同石墨烯納米相含量的GNPs/6061Al力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在6061Al合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%石墨烯納米相，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到225 MPa，相比基體 （180 MPa）提升了25%；隨著石墨烯納米相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其抗拉強(qiáng)度先上升后急劇下降，并在1.0%GNPs處達(dá)到最大值265 MPa；T6時(shí)效熱處理后的GNPs/Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)的變化趨勢(shì)與未經(jīng)熱處理復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，也在1.0%GNPs處達(dá)到最大值290 MPa。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)GNPs/Al復(fù)合材料及T6熱處理后的抗拉強(qiáng)度[47]Fig.3 Tensile strength of GNPs/Al composites with different mass fractions and T6 after heat treatment[47]

綜上可知，在純鋁基體中摻入少量的石墨烯納米相作為增強(qiáng)體可以提升鋁?石墨烯復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，并能保持鋁基體的延展性。同樣在鋁合金材料中摻入適量的石墨烯納米相也可以提升其力學(xué)性能，還可以通過(guò)人工時(shí)效等熱處理工藝對(duì)復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，獲得更優(yōu)異的力學(xué)性能。

2.2 電學(xué)性能

目前鋁?碳復(fù)合材料多是以力學(xué)性能研究為主，用于結(jié)構(gòu)材料的開(kāi)發(fā)；對(duì)其功能性的研究主要集中在導(dǎo)熱性能方面，探討其在電子封裝等領(lǐng)域的應(yīng)用[36]。實(shí)際上，碳材料增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在導(dǎo)電性能方面有巨大優(yōu)勢(shì)，相較于其它鋁基復(fù)合材料，碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其獨(dú)特的電子傳輸方式，賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的導(dǎo)電性能。

Tokutomi等[48]認(rèn)為碳納米管為晶界處提供了電子的“高速通道”，降低了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料界面處的電阻，使得復(fù)合材料的電導(dǎo)率達(dá)到了64.2%IACS，超過(guò)了基體純鋁電導(dǎo)率。同碳納米管一樣，石墨烯也具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能，鋁?石墨烯復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。Chyada等[35]認(rèn)為石墨烯是一種提高輸電線路導(dǎo)電性的很有前途的材料，采用熔融鑄造法制備出了鋁?石墨烯復(fù)合材料，并通過(guò)冷軋和時(shí)效熱處理等工藝獲得了導(dǎo)電性能超過(guò)基體材料的鋁石墨烯復(fù)合材料細(xì)線。Zhou等[24]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，采用放電等離子燒結(jié)工藝制備出來(lái)的鋁?石墨烯復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性和更高的應(yīng)用溫度范圍，綜合性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金，在導(dǎo)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。鋁?石墨烯復(fù)合材料電學(xué)性能相關(guān)研究數(shù)據(jù)信息如表2所示。從表2可以看出，薄層石墨烯增強(qiáng)鋁基（FLG/Al）復(fù)合材料中加入薄層石墨烯后，導(dǎo)電率略有下降。一般而言，材料中晶格畸變所引起的導(dǎo)電電子散射使得材料產(chǎn)生電阻，導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)、缺陷、合金元素以及細(xì)小彌散的增強(qiáng)體顆粒都會(huì)使晶格畸變程度增加，電阻增大。因此，在鋁基體中加入少量的石墨烯納米片相當(dāng)于引入了微小的雜質(zhì)顆粒，且石墨烯納米片并非完整的石墨烯，其中包含空位、未還原官能團(tuán)等缺陷，這些都會(huì)引起晶格畸變，使復(fù)合材料導(dǎo)電性降低。

從表2還可以看出，在純鋁基體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.50%Gr后，時(shí)效處理對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能影響較大。時(shí)效處理后，復(fù)合材料導(dǎo)電率甚至優(yōu)于基體材料；鋁?石墨烯復(fù)合材料在冷加工后通過(guò)時(shí)效熱處理可以顯著提其電導(dǎo)率，200 ℃時(shí)效處理1 h后的電導(dǎo)率提升了9.9%，隨時(shí)效熱處理時(shí)間增長(zhǎng)，電導(dǎo)率輕微降低并趨于平穩(wěn)。時(shí)效熱處理可以使基體材料中沉淀凝聚，形成位錯(cuò)胞和亞晶界，降低位錯(cuò)密度，減小晶格畸變。鋁?石墨烯復(fù)合材料在冷軋和冷拉拔等冷加工變形過(guò)程中會(huì)發(fā)生晶粒變形、位錯(cuò)增殖，晶格畸變顯著增大；時(shí)效熱處理可以使基體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，位錯(cuò)線發(fā)生移動(dòng)、重排、相互抵消，降低位錯(cuò)密度，使晶格畸變顯著降低，從而使復(fù)合材料的導(dǎo)電率顯著增加。由以上研究結(jié)果可知，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.50%石墨烯對(duì)基體材料導(dǎo)電率負(fù)面影響小，經(jīng)過(guò)合適的加工工藝甚至能夠提高其導(dǎo)電率，而其抗拉強(qiáng)度能夠比基體提高50%左右，這就為制備高強(qiáng)高導(dǎo)鋁?石墨烯材料提供了可能。

表2 鋁?石墨烯復(fù)合材料電學(xué)性能[24,35]Table 2 Electrical properties of the aluminum?graphene composites[24,35]

鋁?石墨烯復(fù)合材料時(shí)效處理后導(dǎo)電率上升，除了石墨烯導(dǎo)電率優(yōu)于純鋁及基體材料發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶這些原因，還可能與石墨烯與鋁基體之間形成的有利位向有關(guān)。有利的位向關(guān)系有可能形成類似于碳納米管的結(jié)構(gòu)，帶來(lái)導(dǎo)電增強(qiáng)效應(yīng)，因此，石墨烯增強(qiáng)鋁基體結(jié)合界面的位向關(guān)系及導(dǎo)電效應(yīng)還需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究和機(jī)理探究。

3 鋁?石墨烯線材在導(dǎo)線方面的應(yīng)用前景

我國(guó)電力資源集中分布于西部能源豐富地區(qū)，而東部城市對(duì)電力資源需求量較大，因此長(zhǎng)距離、大跨度的高壓、特高壓輸電線路的建設(shè)已成為國(guó)家能源戰(zhàn)略。由于鋁的高導(dǎo)電率和優(yōu)良的耐腐蝕性能，目前國(guó)內(nèi)外常用的高架高壓輸電導(dǎo)線主要是鋁合金導(dǎo)線。純鋁具有較高的電導(dǎo)率（可達(dá)到64.94%IACS），但其抗拉強(qiáng)度較低（不超過(guò)80 MPa）[49]，無(wú)法滿足工程應(yīng)用需求，故一般采用鋁合金導(dǎo)線，最常用的是Al?Mg?Si系、Al?Zr系和Al?Mn系合金，主要通過(guò)固溶、時(shí)效和加工硬化工藝來(lái)提高合金抗拉強(qiáng)度。但在提高導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)線的電導(dǎo)率往往顯著降低，從而使得輸電效能下降，能耗增加。Khan等[47]研究表明，在6061Al中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%和1.0%的石墨烯納米相，不僅材料抗拉強(qiáng)度分別提升了56%和80%，其電導(dǎo)率也分別提升了3.3%和4.6%；當(dāng)石墨烯納米相摻入量達(dá)到3.0%時(shí)，材料抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率因石墨烯的團(tuán)聚而顯著降低。因此，在鋁基體中加入適量的石墨烯納米相，可以不以犧牲其導(dǎo)電性能為代價(jià)來(lái)提升基體的抗拉強(qiáng)度。

表3所示是常見(jiàn)的7種高空導(dǎo)線的力學(xué)和導(dǎo)電性能。通過(guò)表中數(shù)據(jù)看出，當(dāng)前常用的架空輸電導(dǎo)線電導(dǎo)率普遍低于60%IACS，抗拉強(qiáng)度雖然從160 MPa到380 MPa不等，但隨著抗拉強(qiáng)度提升，電導(dǎo)率大幅度降低。這種現(xiàn)象對(duì)于大規(guī)模、長(zhǎng)距離、大容量的輸電線路而言，其能耗將會(huì)是巨大的。如果可以制備出高強(qiáng)高導(dǎo)的鋁基復(fù)合材料，在提升鋁基體力學(xué)性能的同時(shí)保持其優(yōu)異的導(dǎo)電性能，將對(duì)環(huán)保節(jié)能事業(yè)有重大意義。Chyada等[35]采用熔融鑄造工藝，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的石墨烯納米粒子摻入到熔融純鋁（99.5%）溶液中，澆筑成石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料棒材，經(jīng)冷軋制成直徑為3.5 mm的金屬絲，并進(jìn)行了人工時(shí)效處理。研究結(jié)果表明，在回收的廢鋁線中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%石墨烯后制備成線材，在適宜條件下進(jìn)行人工時(shí)效處理1 h，其抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別為180 MPa和63.4%IACS，相比于未時(shí)效處理的基體線材分別提升了168% （67 MPa）和8.7%（58.3%IACS）。對(duì)比表3中幾種常見(jiàn)的架空導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電性能指標(biāo)不難發(fā)現(xiàn)，鋁?石墨烯復(fù)合材料細(xì)線的抗拉強(qiáng)度雖然只有180 MPa，僅比鋁絞線抗拉強(qiáng)度稍高，但其導(dǎo)電率遠(yuǎn)高出這幾類常見(jiàn)的架空導(dǎo)線。因此，鋁?石墨烯復(fù)合材料在不犧牲基體導(dǎo)電性能的同時(shí)提高其抗拉強(qiáng)度仍具有較大的開(kāi)發(fā)研究空間，這是其他傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料或鋁合金所難以達(dá)到的性能優(yōu)勢(shì)。

表3 常見(jiàn)架空導(dǎo)線的力學(xué)及導(dǎo)電性能[50]Table 3 Mechanical and electrical conductivity performance of the common overhead conductors[50]

這些研究結(jié)果都表明鋁?石墨烯復(fù)合材料在高強(qiáng)高導(dǎo)材料領(lǐng)域具有巨大的潛力，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)和步驟，在不犧牲材料延展性的情況下，可達(dá)到提升材料的抗拉強(qiáng)度的目的，有望使得鋁?石墨烯復(fù)合材料在導(dǎo)電材料領(lǐng)域的到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

石墨烯作為新一代碳基增強(qiáng)填料，不僅能提高純鋁的力學(xué)性能，而且可以保持其優(yōu)異的導(dǎo)電性能，學(xué)者們已在這一領(lǐng)域取得了部分積極成果。鋁?石墨烯復(fù)合材料在高強(qiáng)高導(dǎo)性能方面潛力巨大，是高強(qiáng)高導(dǎo)架空導(dǎo)線的新型替代材料之一，具有巨大的市場(chǎng)前景，但要實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有很長(zhǎng)的路，有很多技術(shù)性難題需要解決。

（1）獲得高品質(zhì)、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定、性能一致的石墨烯是鋁?石墨烯復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的前提條件之一。由于單層石墨烯制備工藝復(fù)雜、成本高，與鋁的潤(rùn)濕性較差，目前復(fù)合材料多采用薄層氧化石墨烯納米相作為增強(qiáng)體，通過(guò)在復(fù)合材料制備過(guò)程中還原得到石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。石墨烯納米片的性質(zhì)受石墨層數(shù)影響較大，其層數(shù)從1層到10層不等，不同品質(zhì)的石墨烯納米片作為增強(qiáng)體可能會(huì)得到性能顯著差異的復(fù)合材料。因此，獲得大批量、穩(wěn)定品質(zhì)的石墨烯有助于鋁?石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用與推廣。

（2）對(duì)制備方法和工藝參數(shù)等的研究需要進(jìn)一步完善和創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)石墨烯在鋁基體中均勻分散和高度取向是制備高性能復(fù)合材料的核心問(wèn)題之一，目前多是采用高能球磨、顆粒表面改性等方法來(lái)達(dá)到石墨烯均勻分散的目的，但這些常規(guī)工藝方法不能大量制備混合粉末，從而限制了鋁?石墨烯復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化，需要改進(jìn)混粉工藝，開(kāi)發(fā)新的混粉設(shè)備。另一方面，目前鋁?石墨烯復(fù)合導(dǎo)線的制備工藝大都為熔鑄法、熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓法、熱擠壓法等，都屬于單爐、單次間歇式生產(chǎn)，不能大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)。因此，需要開(kāi)發(fā)能夠連續(xù)化、大規(guī)模生產(chǎn)的新工藝。液相混粉工藝和連續(xù)冷壓成形工藝?yán)碚撋暇哂辛慨a(chǎn)的潛力，適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)有望成為鋁?石墨烯復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的巨大助力。

（3）鋁?石墨烯復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)、界面控制等需要深入研究，石墨烯與鋁基體之間的結(jié)合、位向關(guān)系、界面反應(yīng)機(jī)理等尚不清晰，需要進(jìn)一步探索，目前，對(duì)石墨烯的增強(qiáng)機(jī)理研究較多，但對(duì)導(dǎo)電影響機(jī)理的研究尚淺，需要加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)電機(jī)理的研究，這將有助于鋁?石墨烯復(fù)合材料在導(dǎo)體材料領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。