石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的發(fā)展現(xiàn)狀

王占忠，張贊

（邢臺(tái)學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，河北邢臺(tái) 054001）

金屬鋁及其合金具有密度小、比強(qiáng)度高、比剛度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、航空、建筑等領(lǐng)域。工業(yè)快速發(fā)展及輕量化的提出，對(duì)鋁及其合金的力學(xué)性能提出了更高的要求，而僅通過(guò)熱處理、合金化等技術(shù)難以進(jìn)一步提高其性能，需尋求新的增強(qiáng)方法以適應(yīng)工業(yè)發(fā)展需要。這時(shí)綜合性能較好的鋁基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，受到科研工作者廣泛關(guān)注[1-4]。

石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度可達(dá)到130 GPa，彈性模量可達(dá)到1.0 TPa），因此成為制備高性能鋁基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體[5-7]。但是，石墨烯片層間存在分子間作用力使其極易團(tuán)聚，降低復(fù)合材料性能；同時(shí)石墨烯與鋁基體之間潤(rùn)濕性差，導(dǎo)致兩者界面結(jié)合較弱，嚴(yán)重影響了鋁基體的力學(xué)性能[8-9]。由于這兩方面原因，石墨烯對(duì)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的增強(qiáng)效果減弱，因此需要系統(tǒng)、全面地分析石墨烯對(duì)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。本文主要介紹石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能，包括硬度、拉伸性能和耐磨性能，并進(jìn)一步分析石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的特點(diǎn)以及機(jī)理，為石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的深入研究及應(yīng)用提供理論支撐。

1 石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能

1.1 硬度

硬度是衡量材料軟硬程度的一個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)，很多研究者將石墨烯加入到鋁基體中，提高了基體的硬度。印度研究者TIWARI等[10]采用累積復(fù)合軋制技術(shù)制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的石墨烯鋁基復(fù)合材料，與采用相同工藝的純鋁相比，復(fù)合材料的硬度提高20%。ZHANG等[11]采用機(jī)械球磨和熱壓工藝制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料并測(cè)試了其維氏硬度，結(jié)果顯示鋁合金基體和含1.0%石墨烯的鋁基復(fù)合材料的平均硬度分別為81.2 HV和174.7 HV?？梢?jiàn)，通過(guò)添加石墨烯，復(fù)合材料的硬度提高1倍多，這主要是由于石墨烯起到了晶粒細(xì)化、奧羅萬(wàn)強(qiáng)化和熱錯(cuò)配強(qiáng)化作用。LIU等[12]采用原位氣相沉積和粉末冶金法制備了Cu修飾的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，結(jié)果表明，與純鋁相比，含2.0%石墨烯復(fù)合材料的硬度提高6倍多，達(dá)到183 HV。這個(gè)硬度值不僅優(yōu)于其他碳納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的硬度，甚至接近于普通碳鋼的硬度。如此明顯的增強(qiáng)效果，主要是由于在鋁基體中形成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2Cu化合物，并且在遠(yuǎn)離Al2Cu相的部位形成少量納米級(jí)Al4C3相，而這兩個(gè)硬質(zhì)相的存在提高了復(fù)合材料的硬度。以上分別是采用不同制備方法研究了一種石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料硬度的影響，不能定性得出石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料硬度的影響規(guī)律。

為了進(jìn)一步確定石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋁基復(fù)合材料硬度的影響，有許多研究者研究了不同石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋁基復(fù)合材料硬度的影響，并得到了兩種結(jié)果。

一種結(jié)果表明，隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，鋁基復(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。SERETIS等[13]以鑄鋁為基體材料，通過(guò)機(jī)械攪拌法制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0%～0.2%時(shí)，鋁基復(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)了一直增大的趨勢(shì)，分別為51.2 HV（0.0%）、54.3 HV（0.1%）和55.2 HV（0.2%），這主要是由于晶粒細(xì)化和在含0.2%石墨烯的鋁基復(fù)合材料中形成了Al4C3相。LI等[14]采用高能球磨和真空熱壓法制備了石墨烯/鋁基復(fù)合材料，并指出石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0%～1.0%范圍內(nèi)時(shí)，鋁基復(fù)合材料的硬度隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而提高，這被認(rèn)為是石墨烯的強(qiáng)化作用和Al4C3相的存在。KHAN等[15]采用球磨和粉末冶金工藝制備了石墨烯/鋁基復(fù)合材料，結(jié)果顯示在石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%～5.0%時(shí)，其復(fù)合材料的硬度隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，即當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)，鋁基復(fù)合材料的硬度達(dá)到（28±4）HV，相比純鋁的（22±3）HV提高了35%，經(jīng)過(guò)分析推測(cè)石墨烯的均勻分散和復(fù)合材料的密實(shí)化是提高其硬度的主要因素。綜合來(lái)看出現(xiàn)這種結(jié)果的原因主要是石墨烯均勻分散和石墨烯與鋁基體界面處形成Al4C3相使鋁基體的硬度呈現(xiàn)一直增大的趨勢(shì)。

另一種結(jié)果表明，隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，鋁基復(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。HSIEH等[16]和AZAR等[17]分別制備了石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0%～0.5%和0.0%～1.0%范圍內(nèi)的鋁基復(fù)合材料，均指出隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，鋁基復(fù)合材料的硬度先增大后降低，且當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí)，鋁基復(fù)合材料的硬度達(dá)到最大。ALGHAMDI等[18]也得到了類(lèi)似的結(jié)果。DU等[19]通過(guò)粉末冶金和軋制相結(jié)合的方法制備了石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0%～1.2%范圍內(nèi)的鋁基復(fù)合材料，結(jié)果表明隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，復(fù)合材料的硬度先增大后降低，其中含0.7%石墨烯的鋁基復(fù)合材料的硬度最大為（89.3±3.2）HV，與純鋁的（64.0±2.0）HV相比，增長(zhǎng)了39.5%。此外，BISHT等[20]和PATIL等[21]分別采用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)和熔體鑄造法制備了石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0%～5.0%和0.0%～2.0%范圍內(nèi)的鋁基復(fù)合材料，結(jié)果均表明石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，鋁基復(fù)合材料的硬度達(dá)到最大。另外，有研究者制備了鎳修飾的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，指出石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在0.0%～1.0%和0.0%～2.0%范圍內(nèi)時(shí)，鋁基復(fù)合材料的硬度隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，其中當(dāng)鎳修飾石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.7%和1.5%時(shí)，鋁基復(fù)合材料的硬度達(dá)到最大[22-23]。由此可見(jiàn)，用于提高鋁基復(fù)合材料硬度的石墨烯最優(yōu)添加量不一致，主要是由于制備方法或工藝不同導(dǎo)致石墨烯在鋁基體中的存在狀態(tài)不一致。但在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，研究結(jié)果都是隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，鋁基復(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，出現(xiàn)這種結(jié)果主要是隨著石墨烯添加量增大，石墨烯出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。

因此，石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋁基復(fù)合材料硬度的影響主要取決于石墨烯在鋁基體中的分散情況和二者界面處是否形成了硬質(zhì)相。

1.2 拉伸性能

拉伸性能是通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)反映材料在外載荷作用下性質(zhì)發(fā)生變化的特征，主要包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率等。研究者們通過(guò)多種先進(jìn)技術(shù)和方法制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并且通過(guò)添加石墨烯顯著提高了鋁基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度[24-25]和抗拉強(qiáng)度[25-27]，增強(qiáng)機(jī)理主要包括細(xì)晶強(qiáng)化、奧羅萬(wàn)強(qiáng)化、應(yīng)力轉(zhuǎn)移和界面熱錯(cuò)配等。但是有研究者指出，添加石墨烯會(huì)增大鋁基復(fù)合材料的脆性并降低其延伸率[20,23,28-31]。為了在提高鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度的同時(shí)盡量保持其較好的韌性，研究者們嘗試了很多新的制備方法。趙乃勤課題組利用原位化學(xué)氣相沉積和粉末冶金法制備了金屬修飾的石墨烯/鋁基復(fù)合材料，結(jié)果表明采用這種方法不僅提高了鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，而且使其保留了較好的延伸率[12,22]。XIE等[32]采用形變驅(qū)動(dòng)冶金法制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料并研究了其拉伸性能，結(jié)果顯示鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與1 060純鋁相比提高了317%，達(dá)到497 MPa，并且復(fù)合材料保持了15.2%的延伸率。DIXIT等[33]采用攪拌摩擦加工技術(shù)制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，指出含石墨烯鋁基復(fù)合材料的延伸率達(dá)到（26±1）%，保持了較好的延展性。ZHANG等[34]采用同樣的方法獲得石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并且通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)證明：與純鋁（21.65±1.65）%的延伸性相比，鋁基復(fù)合材料的延伸率不但沒(méi)有降低，反而達(dá)到（29.32±5.76）%，提高了35.4%。

研究者們還研究了石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋁基復(fù)合材料拉伸性能的影響。與石墨烯對(duì)鋁基復(fù)合材料硬度的影響類(lèi)似，也出現(xiàn)兩種研究結(jié)果。一種研究結(jié)果指出，隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，鋁基復(fù)合材料的拉伸性能呈現(xiàn)一直增強(qiáng)的趨勢(shì)[12,30,35]。而另一種研究結(jié)果指出，隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，鋁基復(fù)合材料的拉伸性能呈先增大后減小的趨勢(shì)[13-14,20-23,28,36-37]。出現(xiàn)這兩種不同的結(jié)果主要存在兩方面原因：石墨烯在鋁基體中的分散情況和石墨烯與鋁基體之間界面結(jié)合的強(qiáng)弱。而這兩個(gè)方面均受到制備方法和石墨烯添加量的影響：不同的制備方法分散石墨烯的效果不同，且隨著石墨烯添加量的增大，在鋁基體中分散石墨烯會(huì)更加困難，容易使其團(tuán)聚，導(dǎo)致應(yīng)力集中出現(xiàn)孔隙。同時(shí)，團(tuán)聚的石墨烯也會(huì)促使石墨烯與鋁基體之間形成弱的結(jié)合界面，影響石墨烯的增強(qiáng)效果。LI等[36]通過(guò)理論計(jì)算指出合適的石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于4%。此外，石墨烯與鋁基體之間潤(rùn)濕性較差，如果不能通過(guò)技術(shù)手段改善兩者之間的潤(rùn)濕性，也會(huì)造成兩者之間界面結(jié)合較弱，導(dǎo)致鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度降低。

1.3 耐磨性能

耐磨性能是指材料抵抗機(jī)械磨損的能力，衡量指標(biāo)主要有磨損率和摩擦系數(shù)。ZHANG等[38]通過(guò)球磨和粉末冶金法獲得了含1.0%的石墨烯鋁基復(fù)合材料并進(jìn)行了干滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：鋁基復(fù)合材料的磨損率和摩擦系數(shù)分別為0.002 9 mm3/（N·m）和0.385，與鋁合金基體[磨損率0.019 4 mm3/（N·m）和摩擦系數(shù)0.632]相比分別降低85.0%和39.1%。該研究團(tuán)隊(duì)已在之前的研究[11]中指出此鋁基復(fù)合材料的硬度提高1倍多，因此該鋁基復(fù)合材料具有更好的耐磨性；同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)摩擦接觸界面形成具有防護(hù)作用的潤(rùn)滑膜，起到了降低摩擦系數(shù)的作用。FERNáNDEZ等[39]采用攪拌摩擦加工技術(shù)制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，研究了攪拌摩擦工具的旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度對(duì)該復(fù)合材料摩擦行為的影響，結(jié)果顯示通過(guò)添加石墨烯，鋁基體的摩擦系數(shù)從0.57下降到0.38，這主要是由于含石墨烯的鋁基復(fù)合材料在摩擦表面形成一層有潤(rùn)滑作用的薄膜，降低其摩擦系數(shù)；該研究還指出在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，工具旋轉(zhuǎn)速度越低，石墨烯/鋁基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)越低；工具前進(jìn)速度越低，該復(fù)合材料磨損量越小。綜合以上研究結(jié)果來(lái)看，石墨烯提高鋁基復(fù)合材料耐磨性的機(jī)理主要有兩個(gè)原因：（1）石墨烯提高鋁基復(fù)合材料的硬度，進(jìn)而提高其耐磨性；（2）石墨烯的自潤(rùn)滑作用有利于降低鋁基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率。

2 結(jié)語(yǔ)

本文從硬度、拉伸、耐磨3個(gè)方面介紹了石墨烯對(duì)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，探究了不同石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，并分析了石墨烯對(duì)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響機(jī)理。從總體來(lái)看，雖然通過(guò)添加石墨烯顯著提高了鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能，但是并未達(dá)到預(yù)期的效果。石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料仍面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步考慮并深入研究以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）石墨烯分散是提高鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵所在，需要進(jìn)一步探索新方法或新技術(shù)實(shí)現(xiàn)石墨烯更好的分散效果。

（2）石墨烯與鋁基體的界面結(jié)合情況對(duì)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，需要進(jìn)一步考慮石墨烯與鋁基體之間的潤(rùn)濕性以及二者之間的化學(xué)反應(yīng)條件，盡量避免脆生相出現(xiàn)，形成穩(wěn)定的界面結(jié)合并提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

（3）石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的性能，若石墨烯的結(jié)構(gòu)遭到破壞勢(shì)必影響復(fù)合材料的性能，因此需要考慮并分析分散處理后石墨烯的結(jié)構(gòu)完整性。