超声波破碎仪制备石墨烯-Al基复合材料的界面反应

石墨烯具有极其优异的力学性能，是理想的复合材料增强体。以商业纯铝为基体，石墨烯为增强相，通过超声破碎仪混合制备石墨烯-Al复合粉末，通过真空热压烧结制备石墨烯-Al复合材料，通过扫描电镜 (SEM)、差热分析(DSC)、X-射线衍射分析(XRD)、显微硬度计表征了材料的宏观形貌、微观形貌、反应 温度、相组成和显微硬度等。结果表明：石墨烯和Al在400℃时便开始发生反应，但在600℃以下时，两者反应速度较慢，在Al熔点以上时，石墨烯和Al反应速度明显增加，石墨烯和Al反应生成Al4C3；少量的 Al4C3可以增强石墨烯和Al基体的结合力，有利于提高材料的力学性能，但是大量脆性Al4C3生成时，材料的力学性能下降。

铝合金因其具有低密度、高比强度和成型性能好等特点，在航空领域有着广泛的应用，但目前研制成熟并投入实际应用的高强铝合金的屈服强度都在 500 MPa 以内，抗拉强度也很难超过 700 MPa ，而同为轻质合金的高强钛合金的抗拉强度却在 1000 MPa 以上。为了适应航空领域的发展，必须进一步提高铝合金的强度，而采用固溶强化、析出强化等传统强化方式进一步提高铝合金性能的空间已经非常有限，必须寻找新的铝合金强化途径。石墨烯自 2004 年发现以来，因其优良的电学、力学、热学等性能，被作为添加剂制备石墨烯–树脂复合材料、石墨烯–金属复合材料，改善树脂或金属基体的力学性能和功能特性，但石墨烯增强 Al 基复合材料仍存在一些问题亟待研究，如石墨烯在 Al 基体中的分散、石墨烯-Al 复合材料的成型工艺及石墨烯与 Al 基体反应，其中石墨烯与 Al 基体反应研究对石墨烯-Al 复合材料的增强机理、成型工艺控制具有重要意义。以商业纯铝为基体，石墨烯为增强相，通过超声波破碎仪混合制备石墨烯-Al复合粉末，通过真空热压烧结制备石墨烯-Al复合材料，研究石墨烯和 Al 基体的反应，探究石墨烯增强 Al 基复合材料的微观机理。

将石墨烯和纯铝粉超声波破碎仪超声 1 h，60℃真空干燥 5 h，制备了石墨烯含量为 1.0 wt.%的石墨烯-Al复合粉末；将复合粉末置于真空热压烧结炉中，于 300℃、400 MPa 下热压烧结 2 h，制备出 1.0 wt.% 石墨烯-Al 复合材料；将复合材料分别置于 400℃、500℃、600℃、700℃或 800℃下，空气气氛下热处理 1 h，研究不同温度对石墨烯和铝界面反应的影响；对纯 Al 粉采用相同工艺制备了对比试样。

通过扫描电镜(JXA-8100)观察样品微观组织，采用 X 射线衍射仪(Rigaku D/Max 2500v/pc)分析样品中 物相变化，通过同步热分析仪(A-449F3)研究石墨烯和 Al 基体是否发生反应及开始发生反应的温度，通过显微硬度计(UTURE-TECH FM-800)表征材料的显微硬度变化。

石墨烯和 Al基体在一定温度下会反应生成 Al4C3，为了探究石墨烯和 Al 基体反应对材料性能的影响， 对相同条件制备的纯 Al 和石墨烯-Al 复合材料样品在不同温度下保温 1 h 后进行显微硬度测试，样品在不同温度保温后硬度先升高，然后逐渐降低。对比不同温度下两者硬度值，可以看到，300℃热压烧结后，纯 Al 的硬度高于石墨烯-Al 复合材料的硬度，在 400℃、500℃和 600℃保温 1 h 后，石墨烯-Al 复合材料的硬度高于纯 Al 的硬度，并随温度的升高，硬度增加百分比逐渐增大，700℃保温 1 h 后，两者硬度相当。而800℃保温 1 h 后，纯 Al 的硬度又高于石墨烯-Al 复合材料的硬度。 出现这一系列硬度值变化的可能原因是：1) 300℃热压烧结时，由于烧结温度较低，粉体致密性较差， 石墨烯的加入进一步降低了粉体的致密性，且石墨烯和 Al 粉间直接堆叠，结合力较差，导致 300℃热压 烧结后石墨烯-Al 复合材料的硬度低于热压烧结后纯 Al 硬度。2) 400℃保温 1 h 后，部分石墨烯和 Al 发 生反应生成 Al4C3，增加了石墨烯和 Al 基体间的结合力，石墨烯-Al 复合材料硬度值升高，并超过了 400℃ 保温后纯 Al 的硬度。3) 随着保温温度升高，纯 Al 样品内部应力消除，并伴随再结晶过程使得材料软化，表现出随着温度升高，材料硬度逐渐降低。在 400℃~600℃时，石墨烯-Al 复合材料也遵循相同的过程， 不过随着温度升高，Al4C3的生成量略有增加，表现出硬度降低速度较纯 Al 样品慢。4) 当样品在 700℃ 和 800℃保温 1 h 后，由于 Al4C3的大量生成，削弱了石墨烯和 Al 的界面结合，使得石墨烯-Al 复合材料 的硬度快速下降，800℃保温后，石墨烯-Al 复合材料的硬度甚至低于纯 Al 样品硬度。

石墨烯和 Al 基体在 400℃时开始发生反应，生成 Al4C3；600℃以下时，反应速度较慢；加热到 Al 熔点以上时，石墨烯和 Al 反应速度明显增加。

石墨烯-Al 复合材料在 400℃热处理后，相对于热压烧结后材料硬度明显增加，因为少量 Al4C3的 生成有利于增强界面结合力，提高材料性能。600℃以下热处理时，随温度升高，复合材料相对于相同条 件得到的纯 Al 块体的硬度增加百分比逐渐增大，而高于 Al熔点后，石墨烯-Al 复合材料的硬度显著下降， 甚至低于纯 Al 块体的硬度，主要是因为高温下，大量生成的 Al4C3 削弱了石墨烯和 Al 基体的界面结合力。