石墨烯增強鋁基復(fù)合材料的制備及性能

王禹，朱傳平，雷霆

石墨烯增強鋁基復(fù)合材料的制備及性能

王禹，朱傳平，雷霆

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

改善鋁金屬基體與石墨烯增強相的界面結(jié)合，是提高鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。本文以化學(xué)鍍銅石墨烯為增強相，采用粉末冶金和放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備鍍銅石墨烯增強鋁基復(fù)合材料，研究鍍銅石墨烯的添加量對鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響。結(jié)果表明：通過對石墨烯的敏化活化預(yù)處理和化學(xué)鍍工藝, 能夠獲得石墨烯表面銅顆粒尺寸均一、分布均勻、膜層完整，并具有良好結(jié)合力的銅鍍層；鍍銅石墨烯作為增強相可以改善石墨烯與鋁基體的浸潤性和界面結(jié)合，復(fù)合材料中石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時綜合性能最優(yōu)，其致密度達(dá)到99.63%，硬度、抗拉強度、彎曲強度分別為60.13 HV，152.88 MPa，659.47 MPa，與純鋁相比，分別提高48.95%，149.48%和470.08%；但是由于復(fù)合材料中石墨烯的炭與鋁基體構(gòu)成腐蝕微電偶，使其耐腐蝕性能降低。

化學(xué)鍍銅；石墨烯；鋁基復(fù)合材料；放電等離子燒結(jié)；力學(xué)性能；耐蝕性能

金屬基復(fù)合材料(MMCs)是過去幾十年中廣泛研究的材料體系之一，在航空航天、電子工業(yè)、汽車制造等領(lǐng)域的應(yīng)用呈顯著增長的趨勢[1?2]。鋁及鋁合金因為重量輕，延展性強，持久耐用，高耐腐蝕性，良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性等特性，是應(yīng)用最為普遍的輕金屬材料之一[3]。非連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料具有高硬度、高強度、耐高溫、良好的抗磨損性能和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，使其成為鋁基復(fù)合材料的一個重要發(fā)展方向，常用于鋁基復(fù)合材料增強相有碳化硅[4]，氧化鋁[5]、鋁硅酸鹽[6]和短碳纖維[7]等。自從2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯(Gr)[8]以來，石墨烯的應(yīng)用備受關(guān)注，由于具有sp2鍵合碳原子的完美二維晶格，石墨烯在許多方面表現(xiàn)出令人驚艷的特性，如高熱導(dǎo)率[9]、優(yōu)良的力學(xué)性能和柔韌性[10]等。因此，石墨烯被認(rèn)為是非常理想的金屬基復(fù)合材料的增強體。迄今為止，關(guān)于石墨烯增強鋁基復(fù)合材料的研究仍處于探索階段。WANG等[11]通過粉末冶金和熱擠壓方法制備了石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的鋁基復(fù)合材料，相比于純鋁，復(fù)合材料的抗拉強度從154 MPa提高到259 MPa；RASHAD等[12]通過超聲攪拌法在鋁基中分散石墨烯，并通過粉末冶金法以及熱擠壓制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的石墨烯?鋁基復(fù)合材料, 實驗結(jié)果顯示石墨烯具備有效的強化作用。BASTWROS等[13]通過球磨和半固態(tài)燒結(jié)方法制備了石墨烯?鋁基復(fù)合材料。當(dāng)球磨時間為90 min和60 min時，材料的抗彎強度分別提高了37%和43%。管仁國等[14]通過氧化石墨烯鍍銅和還原處理以及機械攪拌熔鑄法制備出鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料，其硬度與純鋁鑄錠相比提高了40%，但是石墨烯存在嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。ZHAO等[15]采用氧化石墨烯經(jīng)過鍍銅和還原處理制備出含銅量64%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鍍銅石墨烯，經(jīng)過軋制制備出3%鍍銅石墨烯增強鋁基復(fù)合材料，與純鋁相比，拉伸強度和硬度分別提高了77.5%和29.1%。綜合已有的文獻(xiàn)報道，不難發(fā)現(xiàn)石墨烯作為增強相具有對復(fù)合材料的強化效果，但是大部分文獻(xiàn)均采用了直接加入純石墨烯的方法，此外，還有一個不容忽視的因素，即石墨烯炭和金屬鋁基體之間可能存在的界面反應(yīng)，如碳和金屬鋁在一定溫度下可反應(yīng)形成脆性相Al4C3[16]，從而降低復(fù)合材料的力學(xué)性 能[17]。因此，石墨烯的分散方法和有害的界面反應(yīng)成為制約石墨烯增強金屬基復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵要素。此外，石墨烯作為增強相對鋁基復(fù)合材料耐腐蝕性能的影響，還鮮有報道。鑒于界面對石墨烯?鋁基復(fù)合材料整體性能起著至關(guān)重要的作用，本研究提出通過石墨烯表面金屬化來改善石墨烯與鋁基體之間的潤濕性，既可以促進(jìn)石墨烯與鋁基體的界面結(jié)合，同時可有效避免石墨烯與鋁基體的界面反應(yīng)。因此，本工作采用化學(xué)鍍技術(shù)對石墨烯進(jìn)行鍍銅處理，制備出銅包覆石墨烯，應(yīng)用粉末冶金和SPS技術(shù)制備出鍍銅石墨烯增強鋁基復(fù)合材料，采用掃描電鏡和X-射線衍射(XRD)表征復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鍍銅石墨烯增強鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，以期為石墨烯增強鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗材料

本研究選用純度為99%的純鋁粉(上海麥克林生化科技有限公司)，平均直徑約74mm。多層石墨烯(深圳埃米材料科技有限公司)作為增強材料。

1.2 制備方法

1.2.1 鍍銅石墨烯的制備

本工作采用化學(xué)鍍方法制備鍍銅石墨烯，化學(xué)鍍前按如下步驟將石墨烯進(jìn)行表面處理：(1) 敏化處理，將石墨烯在去離子水中超聲分散60 min ，獲得0.3 g/L或3 g/L的石墨烯分散液，隨后在25 ℃的敏化液(30 g/L SnCl2·2H2O+50 mL/L HCl)中攪拌50 min；(2) 活化處理，將敏化的石墨烯加入到由10 g/L AgNO3+12 mL氨水組成的活化溶液中，室溫攪拌50 min；(3) 還原：將敏化?活化后的石墨烯置于20 g/L次亞磷酸鈉溶液中超聲3 min，然后室溫靜置1 min以去除石墨烯表面上的殘留活化液。最后，將石墨烯過濾并用蒸餾水沖洗至中性，于60 ℃下干燥備用。

化學(xué)鍍銅液組成為15 g/L CuSO4·5H2O，20 g/L C4O6H4KNa，25 g/L EDTA-2Na，15 ml/L HCHO。將預(yù)處理的石墨烯攪拌分散于化學(xué)鍍液中，當(dāng)鍍液溫度升至60 ℃時，向鍍液中緩慢滴加1/3的甲醛溶液，還原3 min后再滴加余量甲醛溶液，整個還原反應(yīng)控制在40 min，其間，同時以2 mL/3 min的速率將40%的NaOH滴加到鍍液中，以維持鍍液pH穩(wěn)定在12.5左右。最后將產(chǎn)物過濾，純水洗至中性并用鈍化液(0.5%苯并三氮唑的無水乙醇溶液)鈍化15 min，最后用無水乙醇洗至中性并干燥。

1.2.2 石墨烯?鋁基復(fù)合材料制備

采用濕法混粉，以保證鍍銅石墨烯在鋁粉漿料中的均勻分散。首先配制鋁粉的酒精漿料，將鍍銅石墨烯在無水乙醇中超聲分散60 min后，在攪拌下，將鍍銅石墨烯的酒精分散液滴加到鋁粉的酒精漿料中，通過鍍銅石墨烯的添加量制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%，0.2%，0.3%和0.5%)鍍銅石墨烯的混合粉末。將混合粉末真空干燥后，采用SPS工藝燒結(jié)制備石墨烯?鋁基復(fù)合材料。SPS工藝條件為在燒結(jié)壓力30 MPa下，620 ℃保溫5 min，然后隨爐冷卻。最后將所得樣品在200 ℃熱處理16 h。采用相同的條件制備純石墨烯?鋁基復(fù)合材料，以鋁粉為原料，采用相同SPS工藝制備純鋁對比樣。

1.3 表征方法

采用Quanta FEG 250、Nova NanoSEM230掃描電子顯微鏡(SEM)表征鍍銅石墨烯的表面形貌和復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，用能譜儀(EDS)分析元素的種類和含量。用D/max2550 X射線衍射儀(XRD)分析物相成分，用INVIA激光纖維共聚焦拉曼光譜儀分析鍍銅處理對石墨烯是否有損傷。利用阿基米德排水法測量復(fù)合材料的密度。通過維氏顯微硬度儀(BUEHLER)測定材料硬度(25 gf載荷，測試時長為15 s)。通過萬能試驗機(US Instron 3369)評價試樣的拉伸強度和彎曲強度。采用CHI 660C電化學(xué)工作站的三電極體系測量石墨烯?鋁基復(fù)合材料和純鋁在3.5%NaCl水溶液(腐蝕介質(zhì))中的動電位極化曲線和電化學(xué)阻抗譜(EIS)，其中飽和甘汞電極作為參比電極，石墨片為對電極，石墨烯?鋁基復(fù)合材料或純鋁為工作電極。所有樣品的測量至少重復(fù)三次以確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍銅石墨烯的表面形貌分析

石墨烯的表面形貌如圖1(a)所示，由圖可見，石墨烯顯示出特征性褶皺和團(tuán)聚所致的多層結(jié)構(gòu)。石墨烯經(jīng)敏化?活化處理后的表面形貌如圖1(b)~(c)所示，可見Ag顆粒主要分布在石墨烯表面的褶皺和缺陷處。比較圖1(b)、1(c)還發(fā)現(xiàn)，對于相同的敏化液濃度，高濃度石墨烯液(3 g/L)敏化活化后，石墨烯表面Ag顆粒無團(tuán)聚現(xiàn)象(圖1(b))，而低濃度石墨烯液(0.3 g/L)敏化活化后，石墨烯表面Ag顆粒出現(xiàn)少量團(tuán)聚現(xiàn)象(圖1(c))，根據(jù)選區(qū)能譜分析可知低濃度石墨烯液(0.3 g/L)敏化活化后其表面Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7.12%，更適合后續(xù)化學(xué)鍍銅的催化反應(yīng)。這兩種敏化活化的石墨烯經(jīng)化學(xué)鍍銅后的表面形貌如圖1(d)、圖1(e)所示。石墨烯原位化學(xué)還原的研究表明，金屬離子更傾向于在石墨烯上官能團(tuán)的位置成核[18]。與氧化石墨烯含有多種含氧官能團(tuán)不同，本工作使用的石墨烯表面沒有此類官能團(tuán)存在，因此金屬離子優(yōu)先在石墨烯表面上的缺陷或褶皺處聚集并成核。在化學(xué)鍍過程中，鍍液中的銅離子以石墨烯表面敏化活化后的Ag顆粒作為活化點，經(jīng)甲醛還原成銅原子并作為新的成核中心，隨著還原的進(jìn)行，銅核長大并形成銅顆粒。其總反應(yīng)式如下：

圖1 (a) 原始Gr的SEM照片；(b) 敏化活化(3 g/L)Gr的SEM照片和選擇區(qū)域的EDS分析結(jié)果；(c) 敏化活化(0.3 g/L)的Gr的SEM照片和選擇區(qū)域的EDS分析結(jié)果；(d) 化學(xué)鍍銅后(3 g/L)Gr的SEM照片；(e) 化學(xué)鍍銅后(0.3 g/L)的Gr的SEM照片；(f) 純石墨烯和鍍銅石墨烯的拉曼光譜圖

Cu2++2HCHO+4OH??Cu↓+2HCOO?+H2↑+2H2O (1)

對比圖1(d)和圖1(e)的插入放大圖可知，低濃度石墨烯(0.3 g/L)經(jīng)敏化活化和化學(xué)鍍后，獲得了石墨烯表面覆蓋完整的銅鍍層，沒有出現(xiàn)文獻(xiàn)[19]中提到的Cu顆粒在邊緣團(tuán)聚嚴(yán)重的現(xiàn)象，圖1(e)中的EDS結(jié)果顯示石墨烯表面銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量高達(dá)77.31%。高濃度石墨烯(3 g/L)經(jīng)敏化活化和化學(xué)鍍后，石墨烯表面Cu鍍層較薄，石墨烯表面沒有完全被覆蓋，圖1(d)中的EDS結(jié)果顯示，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為13.54%。因此將含銅量為77.31%的鍍銅石墨烯用于后續(xù)鋁基復(fù)合材料的制備。因為銅原子與鋁基體具有較好的潤濕性，可以預(yù)見銅鍍層包覆的石墨烯將與鋁基體具有較好的潤濕性。此外，鍍銅石墨烯與純石墨烯的拉曼光譜如圖1(f)所示，結(jié)果顯示鍍銅石墨烯的D/G=1.40與純石墨烯的D/G=1.39幾乎一致，說明鍍銅處理并未破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)。

2.2 石墨烯-鋁基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

分別將純石墨烯、鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料表面打磨拋光后進(jìn)行SEM觀察，如圖2所示。從圖2(a)可見，純石墨烯?鋁基復(fù)合材料中石墨烯和鋁基體之間存在明顯界面，圖2(b)高倍下的電鏡照片清楚顯示界面處有空隙和縫隙存在，說明純石墨烯與鋁基體的潤濕性不好，導(dǎo)致界面結(jié)合不緊密。圖2(c)為鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料中的石墨烯和鋁基體之間的界面形貌，圖2(d)高倍下的電鏡照片清楚顯示界面處結(jié)合緊密，沒有觀察到空隙和縫隙存在。

圖2 純石墨烯、鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的SEM照片

為研究鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的界面反應(yīng)，將含有0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)鍍銅石墨烯的復(fù)合材料置于1 mol/L NaOH溶液中反應(yīng)3 h，反應(yīng)式如下：

2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑ (2)

可知，復(fù)合材料中的鋁基體會與NaOH反應(yīng)形成可溶物溶于堿液中，而不參與反應(yīng)的鍍銅石墨烯則會作為沉淀物析出。將0.2%鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的沉淀析出物做掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖3(a)所示，可見其表面變得粗糙并呈多孔狀。從圖3(a)的EDS能譜分析可知，SPS處理的復(fù)合材料經(jīng)堿液溶解析出的沉淀物，其主要成分為35.66%C，34.88%Cu，22.24%O和7.22%Al元素。沉淀物中Cu與Al的原子比為2.05:1，接近于Cu9Al4的原子比，但是在進(jìn)一步對沉淀物進(jìn)行的XRD分析中并沒有發(fā)現(xiàn)該相存在(如圖3(b))，可能是其在沉淀物中含量太低，而未檢測到。推測可能在SPS燒結(jié)過程中，Al原子和Cu原子相互擴散并溶解形成Al-Cu過飽和固溶體，隨冷卻過程溫度降低，Cu在Al中的溶解度降低，形成Cu9Al4中間相析出，具體還需要進(jìn)一步研究。這一推測與SILVAIN等[20]在研究C/Al/Cu界面反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)的在界面區(qū)域靠近鋁基體附近生成了富 Cu 的 Cu9Al4相這一結(jié)論相符。對比燒結(jié)前鍍銅石墨烯表面77.31%的Cu含量，沉淀物中較低的Cu含量和少量Al元素的存在，說明鍍銅石墨烯中的部分銅元素在SPS燒結(jié)過程中與鋁基體發(fā)生了相互擴散，正是這種擴散和溶解作用，有效改善了石墨烯相與鋁基體的潤濕性，從而促進(jìn)了界面結(jié)合。

圖3 NaOH浸泡后的0.2%鍍銅 Gr/Al復(fù)合材料沉淀物的SEM和EDS分析(a)和NaOH浸泡后的純石墨烯、鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料沉淀物的XRD(b)

進(jìn)一步對純石墨烯、鍍銅石墨烯-鋁基復(fù)合材料的堿溶沉淀物進(jìn)行XRD分析可知，純石墨烯-鋁基復(fù)合材料的沉積物中出現(xiàn)了Gr衍射峰、Al2O3衍射峰以及有害相Al4C3衍射峰，說明純石墨烯在燒結(jié)過程中與鋁基體發(fā)生了界面反應(yīng)，而鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的沉積物中只觀察到Gr衍射峰、Cu和Cu2O衍射峰以及微弱的Al2O3衍射峰，未檢測到含鋁金屬間化合物中間相的存在，可以排除鍍銅石墨烯與鋁基體發(fā)生界面反應(yīng)的可能性，或者即使有界面反應(yīng)發(fā)生，其反應(yīng)程度也非常低。

2.3 石墨烯-鋁基復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能

純鋁、0.1%純石墨烯以及鍍銅石墨烯添加量為0.1%，0.2%，0.3%和0.5%的鋁基復(fù)合材料由阿基米德排水法測量的密度如表1所列，表中還列出了各復(fù)合材料的理論密度和相對密度。其中，理論密度由公式(3)計算所得，

式中：Gr=1.06 g/cm2，Cu=8.9 g/cm2，Al=2.7 g/cm2，Gr，Cu和Al分別為石墨烯、石墨烯上鍍的銅和鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。相對密度則是指復(fù)合材料的實測密度與理論密度之比,可以反映復(fù)合材料的結(jié)合緊密程度。由表1中的相對密度數(shù)據(jù)可以看出，0.1%純石墨烯?鋁基復(fù)合材料的相對密度為99.26%，而0.1%鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的相對密度有所增加，達(dá)到99.63%。這可能是因為鍍銅石墨烯與鋁基體之間良好的潤濕性，改善了界面結(jié)合，這與圖2(c)~(d)的界面形貌觀察一致。隨鍍銅石墨烯含量進(jìn)一步增加，復(fù)合材料的密度增加，但相對密度則隨石墨烯含量增加而略有下降，相對密度在0.1%鍍銅石墨烯添加量時達(dá)到最大值。

圖4(a)為純鋁，0.1%純石墨烯及鍍銅石墨烯復(fù)合材料熱處理前后的硬度值。從圖中可以看出，石墨烯是否進(jìn)行鍍銅對材料硬度有一定的影響。純石墨烯?鋁基復(fù)合材料中，石墨烯直接分散于鋁基體中，由于其潤濕性差，加上石墨烯和鋁基體之間可能的界面反應(yīng)會導(dǎo)致界面處孔隙或縫隙的存在，導(dǎo)致硬度下降。而鍍銅石墨烯與鋁基體有較好的潤濕性，可以避免界面反應(yīng)，界面的結(jié)合得到大幅改善，此外，石墨烯表面鍍銅層的存在，在燒結(jié)過程中，銅元素會向基體擴散以及溶解，形成固溶強化，因而鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料表現(xiàn)出高于純石墨烯?鋁基復(fù)合材料的硬度值。有文獻(xiàn)對鍍銅碳纖維增強鋁基復(fù)合材料的研究也發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)果，并認(rèn)為增強相周圍基體硬度的增加與銅從增強體表面向基體的溶解和擴散有關(guān)[21]。圖4(b)為鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料熱處理前后的顯微硬度值隨鍍銅石墨烯添加量變化的曲線。從圖中可以看出，純鋁具有最低的硬度，隨石墨烯含量增加，試樣的硬度增加。當(dāng)石墨烯含量為0.5%時，復(fù)合材料的硬度達(dá)最大值，與純鋁相比，硬度提高了101.76%。

表1 石墨烯含量對復(fù)合材料密度的影響

圖4 (a) 純鋁，0.1%純石墨烯及鍍銅石墨烯復(fù)合材料熱處理前后的硬度值；(b) 不同Gr含量的復(fù)合材料的顯微硬度

表2所列為純鋁、0.1%純石墨烯?鋁基復(fù)合材料和0.1%鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的拉伸強度、抗彎強度以及伸長率，由表中可見，鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的拉伸強度和抗彎強度均高于純鋁金屬和純石墨烯?鋁基復(fù)合材料，但伸長率有所下降。進(jìn)一步增加復(fù)合材料中鍍銅石墨烯的含量，復(fù)合材料的力學(xué)性能隨石墨烯含量的變化如圖5(a)所示。復(fù)合材料的拉伸強度隨鍍銅石墨烯含量的增加而提高，當(dāng)鍍銅石墨烯含量為0.2%時，復(fù)合材料拉伸強度達(dá)到152.88 MPa，隨后鍍銅石墨烯含量繼續(xù)增加拉伸強度增長幅度逐漸下降?？箯潖姸葎t在鍍銅石墨烯含量增加到0.2%時達(dá)到最大值659.47 MPa，隨后呈下降趨勢；復(fù)合材料的伸長率在鍍銅石墨烯的含量為0.1%時達(dá)到最大值44.5%，隨后降低。鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)于純鋁金屬和純石墨烯?鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能，得益于鍍銅石墨烯表面層與鋁基體的良好潤濕性，促進(jìn)了鍍銅石墨烯與鋁基體界面的良好結(jié)合，此外，由圖5(b)可以看出，紅色虛線框中的石墨烯作為增強相在鋁基體中均勻分散，具有彌散強化作用，同時，從圖5(b)中看到在石墨烯A點上銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.36%，基體B點上的銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.11%，證實了燒結(jié)過程中鍍層中銅元素的擴散和固溶，起到了固溶強化作用，因此彌散強化和固溶強化的協(xié)同作用提高了鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能。從伸長率的變化可知，純石墨烯?鋁基復(fù)合材料的伸長率比鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料提高了近20%。伸長率受到增強相和脆性相的影響，增強相作用幾乎相同的情況下，鍍銅石墨烯中的銅元素在燒結(jié)擴散過程中會生成CuAl2脆性相，該脆性相還需后續(xù)實驗進(jìn)一步驗證，但是這一結(jié)果也說明，鍍銅石墨烯用作增強相可以提高鋁基復(fù)合材料的變形抗力，綜合分析圖5(a)的曲線變化趨勢，不難發(fā)現(xiàn)0.1%~0.2%鍍銅石墨烯的鋁基復(fù)合材料具有較佳的力學(xué)性能。

表2 純鋁、0.1%純石墨烯及鍍銅石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能

圖5 (a) 不同Gr含量的復(fù)合材料的力學(xué)性能,(b) 0.2%鍍銅Gr/Al復(fù)合材料的SEM和EDS

2.3 石墨烯-鋁基復(fù)合材料的耐腐蝕性能

為了考察復(fù)合材料的耐腐蝕性能，分別采用動電位極化和電化學(xué)阻抗技術(shù)測試純鋁、純石墨烯和鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料在3.5%NaCl溶液中的Tafel極化曲線(圖6(a))和Nyqust阻抗譜(圖6(b)，插入圖為對應(yīng)的等效擬合Randles電路)，腐蝕參數(shù)總結(jié)如表3所列?？梢钥闯?，純鋁具有最低的腐蝕電流和最大阻抗，表明純鋁有最好的耐腐蝕性能，不管是純石墨烯還是鍍銅石墨烯的加入，復(fù)合材料的耐腐蝕性能均有所降低。相同石墨烯添加量時，鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的耐蝕性能更好，隨鍍銅石墨烯含量增加，腐蝕電流增大，耐蝕性能下降，其中，0.1%鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料具有最小的腐蝕電流和最大的阻抗值，表現(xiàn)出最優(yōu)的耐電化學(xué)腐蝕性。相對于純鋁金屬，復(fù)合材料腐蝕電流的增加是由于作為增強相的石墨烯炭與鋁基體構(gòu)成了腐蝕微電偶，隨石墨烯添加量增加，形成的微電偶腐蝕增多，此外，石墨烯添加量增加還會導(dǎo)致材料致密度下降(如表1所列)，材料中孔隙的增多會產(chǎn)生縫隙腐蝕，綜合影響導(dǎo)致腐蝕電流增加，耐蝕性能下降。

圖6 (a) 復(fù)合材料的Tafel極化曲線；(b) 復(fù)合材料的Nyquist曲線

表3 在3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行腐蝕測試的腐蝕數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1) 通過對石墨烯的敏化活化預(yù)處理和化學(xué)鍍，制備了鍍銅石墨烯，該銅膜層完整包覆石墨烯表面并且與石墨烯基體有良好結(jié)合強度。

2) 石墨烯表面鍍銅可有效避免鋁基體與石墨烯的直接接觸可能發(fā)生的界面反應(yīng)，同時能夠改善石墨烯增強相與鋁基體的界面結(jié)合，界面處無裂紋和孔隙產(chǎn)生。

3) 鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料比純鋁具有更好的力學(xué)性能，其強化機理是彌散強化和固溶強化的協(xié)同作用，源于石墨烯在鋁基體中的均勻分散以及銅元素在鋁基體中的擴散溶解。0.2%鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的致密度達(dá)到99.63%，與純鋁相比，其硬度、抗拉強度和彎曲強度分別提高48.95%，149.48%和470.08%，但伸長率略有下降。

4) 鍍銅石墨烯?鋁基復(fù)合材料的耐腐蝕性能較純鋁低，這是由于復(fù)合材料中石墨烯炭與鋁基體構(gòu)成了微電偶腐蝕原電池。

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(編輯 高海燕)

Preparation and properties of graphene reinforced aluminum matrix composites

WANG Yu, ZHU Chuanping, LEI Ting

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Improving the interfacial bonding between aluminum matrix and graphene reinforcement is the key to improve the mechanical properties of the aluminum matrix composites. In this paper, copper-coated graphene reinforced aluminum matrix composites were prepared by powder metallurgy and spark plasma sintering (SPS). The effects of different amounts of copper-coated graphene on the mechanical properties and corrosion resistance of aluminum matrix composites were studied. The results show that through the pretreatment of graphene and electroless plating process, the copper coating on graphene surface with uniform size, uniform distribution, complete film and good bonding strength can be obtained. Copper-coated graphene as reinforced phase can improve the wettability and interface bonding strength between graphene and aluminum matrix. When the content of graphene in the composite reaches 0.2%, the composites exhibit the best performance, the density reaches 99.63%, the hardness, tensile strength and bending strength are 60.13 HV, 152.88 MPa and 659.47 MPa, respectively, which increased by 48.95%, 149.48% and 470.08% respectively as compared to pure aluminum. However, the composite materials show decreased corrosion resistance due to the galvanic corrosion between graphene carbon and the aluminum matrix.

electroless copper plating; graphene; aluminum-based composites; SPS; mechanical properties; corrosion resistance

TB333

A

1673-0224(2018)05-518-09

國家自然科學(xué)基金項目(21673297)；東莞市引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊項目(2014607101004)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2017zzts429)

2018?03?12；

2018?05?16

雷霆，教授，電話：15974242599；E-mail: tlei@mail.csu.edu.cn