石墨烯增强铝基复合材料的性能与应用

       铝基复合材料的密度低、耐蚀性强、比强度高、加工性能良好，其优点众多，所以已成为当前金属基复合材料研究的主流，目前已经广泛应用在电子、输电线、汽车、航空航天等领域。

       随着当今社会汽车、电子行业等现代技术的飞速发展，尤其是在输电线路行业，人们对铝基复合材料的力学性能和导电性能要求越来越高，比如在高真空、强电离辐射等恶劣条件下对材料的比强度、耐腐蚀性、导电导热、比模量等性能要求更高。

       传统的碳纤维、碳纳米管，虽然可以改善材料的力学性能，但往往会显著降低材料的导电性。目前，通过传统的制造和强化技术很难实现铝基复合材料性能的进一步改善，需要开发一些新的途径或优良的增强体材料来提高铝合金的性能。

       近年来，随着石墨烯材料及其衍生物的发现，越来越多的研究者将其作为增强体来增强铝基复合材料，经增强后的铝基复合材料的耐磨性、导电导热性以及强度等都有了明显的提升。本文叙述了石墨烯增强铝基复合材料的各种性能以及增强机制，总结归纳了石墨烯铝基复合材料的应用，并展望了其未来发展前景。

Ø 石墨烯铝基复合材料的性能

       1.力学性能

       石墨烯铝基复合材料的力学性能是目前被国内外学者最为广泛研究的性能。表1-1总结了典型的石墨烯铝基复合材料力学性能数据。由表中数据可以看出，石墨烯在提高复合材料强度方面，表现出了极其优异的增强效果，少量石墨烯的加入（0.3~1.0 wt. %）即可使复合材料的强度提高20%~200%。

表1-1 石墨烯铝基复合材料典型力学性能结果汇总

备注：Gr 石墨烯，GO 氧化石墨烯，RGO 还原氧化石墨烯。

       在现有常规烧结工艺条件下，特别是再考虑成本的因素，Al4C3在基体中是很难完全避免的，Al4C3相是一种脆性相，具有吸湿性。有研究发现Al4C3相的生成弱化了石墨烯和基体的界面结合，使材料的性能明显降低。但是也有研究结果发现基体中生成部分Al4C3相如果能够均匀地分散在复合材料基体上，可以起到很好的转移施加在铝基体上的应力，从而可以提高强度，有利于复合材料的整体力学性能。

       2. 摩擦性能

       提高铝合金及其复合材料的耐磨性能在汽车发动机等领域有广阔的应用，得益于石墨弱的层间结合力，在外力作用下易于滑动，少层石墨烯是一种优异的固体润滑材料。

       石墨烯铝基复合材料的相对密度和硬度均较低，所以其摩擦系数相对于纯铝有一定降低，磨损速率有所增加。近年来，更多的研究结果表现出了相同的规律，复合材料的摩擦系数一般随石墨烯添加量的增加而降低，而复合材料的磨损速率一般随石墨烯添加量的增加而先下降，后快速升高，甚至高于基体材料的磨损速率。这主要是因为当石墨烯添加量少时，其能在基体材料中均匀分散，从而表现出良好的强化效果，而当石墨烯含量过高，石墨烯以杂质颗粒的形式存在于基体中，使复合材料力学、摩擦等性能均降低。

       3. 电学性能

       理论上，完整的石墨烯具备优异的导电性能，但是金属复合材料制备过程中：

       1) 石墨烯很难在金属基体中均匀、完整分散；

       2) 石墨烯一般以细小片状的形式存在于复合材料中，片与片之难以形成高导电的通路；

       3) 铝基体本身已经具备非常良好的导电性能（仅次于银，铜，金），很难进一步提高。

       因而石墨烯铝基复合材料的绝对导电性能较难超越纯铝。但是由于石墨烯同时具备优异的力学性能和良好的导电性能，其能以最小电学性能损失，大幅度提高铝基复合材料的强度，从而获得力学性能与铝合金相当，而电学性能与纯铝相当的复合材料，满足特定领域对高强度、高导电铝材料的需求。

       4. 热学性能

       与导电性能类似，完整的石墨烯具备及其优异的导热性能，是迄今为止导热系数最高的碳材料，但是由于石墨烯在金属基体中难以均匀分散，且铝基体本身已具备较好的导热率等因素，石墨烯很难进一步提高纯铝的绝对导热性能，但可以再一定程度上提高铝合金的导热率。

       石墨烯的加入量过小时，不足以在铝基体中连续均匀分布，其对复合材料的热导率影响甚微；石墨烯加入量达到临近值，连续均匀分布于基体，有效导热通道变多，可以使铝基体的导热率提高10%~20%，但是得到的石墨烯铝基复合材料的绝对导热率均小于纯铝；石墨烯加入量超过临界值，层叠状团聚带来的间隙导致复合材料的致密度开始下降，对导热不利，材料热导率下降。

       5. 腐蚀性能

       金属表面的石墨烯涂层在提高金属基体耐腐蚀方面表现出了良好的效果，这主要是因为绝大多数气体、蒸汽和液体都不能通过石墨烯单原子层，但石墨烯对金属的保护作用不能持久，主要是由于长期暴露后，基体表面的石墨烯层逐渐被破坏，与基体形成了原电池，反而加速了金属基体的腐蚀。

        对于纯铝来说，纯铝有最好的耐腐蚀性能，不管是纯石墨烯还是镀铜石墨烯的加入，都会或多或少降低复合材料的耐腐蚀性。

       相同石墨烯添加量时，镀铜石墨烯−铝基复合材料的耐蚀性能更好，随镀铜石墨烯含量增加，腐蚀电流增大，耐蚀性能下降，其中，0.1%镀铜石墨烯−铝基复合材料具有最小的腐蚀电流和最大的阻抗值，表现出最优的耐电化学腐蚀性。

此外，石墨烯添加量增加还会导致材料致密度下降，材料中孔隙的增多会产生缝隙腐蚀，综合影响导致腐蚀电流增加，耐蚀性能下降。

Ø 石墨烯铝基复合材料的应用

       相比于传统铝合金材料，石墨烯铝基复合材料具备更优异的韧性，比强度高，比刚度好，更好的力学—电学（热学）性能匹配等，在航空航天、汽车工业、能源电力和兵器工业等领域都有直接的应用需求。特别是随着石墨烯的规模化制备和批量化生产的技术不断突破，高品质石墨烯的成本将越来越低，综合性能优异的石墨烯铝基复合材料将展现出更加广阔的应用前景。

       1. 高强度轻质结构材料

       随着航空航天、汽车工业等领域迫切的减重需求，其对材料比强度和比刚度提出了更高的要求。如飞机机翼长桁、直升机旋翼系统等结构均对超高强铝基复合材料提出了相应需求。

       但是现阶段，固溶强化、析出强化、细晶强化、加工硬化等单一的强化机制进一步提升铝合金的强度的能力已非常有限。相比于传统铝合金材料，大量的研究结果已经从理论上证实了石墨烯是一种可以进一步提高铝合金力学性能的有效增强相。

       发展石墨烯铝基复合材料，进一步提高铝合金材料的综合性能，是发展高性能铝基轻质结构材料的重要研究方向。但是现阶段石墨烯铝基复合材料的技术成熟度较低，仍主要停留于实验室阶段，尚不能满足未来型号发展的紧迫需求，仍需开展大量的机理性和工艺性研究，进一步完善材料体系，系统评价材料性能，为其实现批量应用提供依据。

    2.高性能铝基功能材料

        （1）导线电缆材料

       高性能铝导线是实现大容量远距离直流输电技术、特高压交流输电技术和西电东送工程重要的关键材料。欧美发达国家的全铝导线占中高压输电线的90%，但我国全铝导线的占比不足10%，其主要原因是：

         1）国产纯铝导线电阻率达到要求，但强度较低；

         2）铝合金导线强度达到要求，但电阻率较高，路损严重。

       石墨烯具有极低的电阻率和极高的强度，通过在铝基体中掺杂石墨烯，可以在保证材料导电性不降低的前提下，提高材料的强度，满足电力能源领域对强度高、导电性好的新型铝导线电缆的迫切需求。

       （2）电子封装材料

       随着半导体集成度的大幅度增加和多芯片模块的广泛使用，卫星、雷达等的电子器件工作温度不断升高，直接影响其工作的可靠性及电性能。温度每升高10℃，GaAs或Si半导体的寿命将缩短两倍，在有源硅器件中，温度每升高10℃，漏电流就会加倍，如何提高芯片的散热效率，使电路在正常温度下工作显得非常重要。理想的电子封装材料需具备密度低、导热性好、热膨胀系数（CTE）要与Si或GaAs等芯片相匹配、并且具备足够的强度和刚度，以满足大规模商业化应用的要求。石墨烯具备极高的导热性能，有望在传统电子封装材料的基础上，不改变基体材料力学、线膨胀系数、加工性能等前提下，进一步提高其导热性能，以满足未来大功率半导体器件、大功率集成电路、大功率微波真空器件等元部件对电子封装材料导热性能提出的更高要求。

       3、防弹装甲材料

       军用装备的防护性能与机动性能是天生的矛盾，装甲过重将影响其机动性能，而装甲的缺失将大幅降低装备的战场生存能力。发展轻质高强防护材料是从根本上同时解决“轻”与“强”问题的关键。石墨烯独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料，其断裂强度高达130 GPa。此外，石墨烯特有的蜂窝晶格结构当受到外力时，变形的是整个碳原子面，使得碳原子无需重新排列以适应外力，这让它结构更稳定。因此，石墨烯及其复合材料是作为一种新型的轻质高强防护材料的理想选择。

      铝基复合材料在现代工业上的应用十分广泛，未来随着石墨烯制备技术的趋于成熟，制备成本的下降，石墨烯铝基复合材料的研究必将更加深入。铝的轻量化特点和石墨烯优异物理化学性能，若能够将两者最大化相互结合，石墨烯增强铝基复合材料在力学及导热等性能的优势，使其必将在航空航天，以及国军事等重要的领域发挥更大效用。但是，要实现石墨烯铝基复合材料工业化的道路还很长，目前急需解决的问题就是：

       1.虽然提出了几种强化机制，但是石墨烯增强铝基复合材料的具体强韧化机制还有待深入研究。

       2.目前针对导热型石墨烯增强铝基复合材料的研究还不成熟。石墨烯与铝界面热阻的改善将是导热型石墨烯铝基复合材料研究的重点，兼具高强度及导热、导电性能的石墨烯金属基复合材料是将来研发的趋势之一。

了解石墨烯增强铝基复合材料的制备方法

我们的服务

      我们在北京航空航天新材料产业集群新材料技术成果对接会上，充分了解了中国航天科工集团对于石墨烯增强铝基材料的迫切需求。

      针对需求方提出关于石墨烯增强铝基材料的应用背景和指标要求，借助北京市航空航天新材料集群资源优势，我们充分发挥创新资源，利用专家库和成果库，挖掘高校科研院所的现有技术成果。

未来，我们将组织高校科研院所与需求方进行深度对接，共同研究航空航天用石墨烯增强铝基材料的解决和应用方案，探讨双方深度合作与发展模式。

参考：

         杨柳, 李龙, 周德敬. 石墨烯铝基复合材料的研究进展[J]. 轻合金加工技术, 2017, 045(002):12-18.

         王禹，朱传平，雷霆. 石墨烯增强铝基复合材料的制备及性能[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2018, 23(5):518-526.