石墨烯-純鋁復合材料的制備及其性能研究.pdf

1、石墨烯具有優(yōu)異的力學和物理性能，用其增強鋁可獲得高強，高導電的復合材料，這對于電力傳輸技術會產生巨大的技術推動?；谀壳斑€未有關于液態(tài)法制備出石墨烯/純鋁復合材料的相關報導，本文選擇了高比表面積的石墨烯和純鋁粉通過高能球磨混粉和壓力浸滲相結合的方法制備了石墨烯/純鋁復合材料，并選擇合適的擠壓工藝進行了后續(xù)的擠壓變形，以使石墨烯定向排布和打開多層石墨烯片層，研究了擠壓變形前后材料的力學性能和導電性能等。復合材料性能的測試都是經320℃，2

2、h的去應力退火后進行的。
　　通過對球磨工藝的探索，獲得了鋁粉和復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工藝的調試制備出石墨烯/純鋁復合材料。
　　擠壓過程中發(fā)現(xiàn)，石墨烯/純鋁復合材料的表面質量對熱擠壓溫度很敏感，該復合材料在擠壓比為13:1的情況下最佳溫度為48

3、0℃；經過擠壓之后復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，晶粒粒度分布均勻；材料的致密度提高了0.98％~1.93%。
　　對壓鑄態(tài)退火后的復合材料進行力學性能測試，表明在純鋁基體中加入石墨烯能夠顯著提高材料的力學性能。當質量分數(shù)小于0.21%時，彈性模量、抗拉強度隨著石墨烯質量分數(shù)的增加單調增加，分別達到了75.8GPa和181.67MPa，較基體提高了7.21%和58.28%；

4、復合材料的彎曲強度是在石墨烯的質量分數(shù)為0.54時，達到了最大值335.96MPa，較基體提高了68.01%。復合材料的延伸率隨著石墨烯質量分數(shù)的增加而下降，但是都高于基體，最大延伸率達到了9.08%，分析認為，少量石墨烯的加入能夠通過石墨烯褶皺的展平來緩解應力集中。當石墨烯的質量分數(shù)超過0.21%時，石墨烯在基體中會發(fā)生團聚現(xiàn)象，這些石墨烯團聚體降低了基體的塑性變形能力，裂紋容易在石墨烯團聚處擴展，導致材料過早斷裂，延伸率降低，強度不

5、能發(fā)揮出來。經熱擠壓變形后，復合材料的強度和塑性得到了大幅度的提高，其中復合材料的抗拉強度隨著石墨烯質量分數(shù)的增加先增加而后減少，在石墨烯的質量分數(shù)為0.54%時達到了最高值，達到了227.19MPa，較擠壓之前的提高了33.75%；擠壓之后復合材料的延伸率比擠壓之前有了顯著的提高，但是變化趨勢與擠壓之前的是一樣的。
　　透射電鏡下沒有觀察到石墨烯，對拉伸斷口分析發(fā)現(xiàn)石墨烯的二維平面與拉伸方向垂直對強化不利，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來，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復合材料的強化有利，這種石墨烯能夠充分發(fā)揮石墨烯自身作為增強體的強化作用，從而使得復合材料的強度提高；對比擠壓前后斷口，可以發(fā)現(xiàn)擠壓后斷口處的石墨烯明顯減少了，這是因為石墨烯片層在擠壓過程中被打開，在基體中的分散更為彌散，層數(shù)更少，不易被觀察到所導致的，這種擠壓變形效應使石墨烯片層打開，分布更彌散，使得晶粒更為細化，同時還能夠發(fā)揮

7、石墨烯的強化作用，因而使得擠壓后復合材料無論是強度還是塑性都有所提高。
　　導電性能測試表明，在基體中加入石墨烯能夠在大幅度提高材料的導電性能，但需要合適的添加量。復合材料的導電性能都高于基體，在本實驗條件下最佳質量分數(shù)是0.21%，電導率達到41.05%IACS。經過13:1的擠壓比擠壓后電導率進一步提高，達到了49.83%IACS，較壓鑄態(tài)基體提高了80.35%IACS，質量分數(shù)為0.21%的復合材料提高了21.39%。當石墨

8、烯質量分數(shù)在一定范圍時，擠壓工藝才能夠明顯提高材料的電導率。
　　對擠壓前的復合材料進行熱膨脹性能測試，發(fā)現(xiàn)石墨烯的少量加入能夠降低復合材料的熱膨脹系數(shù)，石墨烯會限制基體的自由膨脹，使其熱膨脹系數(shù)降低。
　　對擠壓加工提高復合材料的強度、塑性及電導率的機理分析認為：復合材料進行熱擠壓變形后，一是提高了材料的致密度，降低孔隙率；二是由于在擠壓過程中，由于基體與石墨烯之間的剪切應力大于石墨烯片層之間的分子間結合力，使得多層石墨烯