石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研究進(jìn)展孫瑋

詹科 汪田 趙睿 吳一昊 趙斌 嚴(yán)雅

摘要：鋁基復(fù)合材料作為金屬基復(fù)合材料中最重要的材料之一，在工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活申有著非常廣泛的應(yīng)用。石墨烯由于其高導(dǎo)熱性、高阻尼性、高彈性模量、高強(qiáng)度以及良好的自潤(rùn)滑性成為復(fù)合材料中重要的增強(qiáng)體。將石墨烯用作增強(qiáng)體增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料有著非常大的應(yīng)用潛力。歸納了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展;總結(jié)了影響其性能的主要因素即增強(qiáng)體材料種類，石墨烯在鋁基體中的均勻分散性以及鋁基體與石墨烯之間的界面情況;介紹了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的兩種制備方法;分析了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制;并展望了其發(fā)展前景，以期為制備高性能石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料提供參考。

關(guān)鍵詞：石墨烯;鋁基復(fù)合材料;均勻分散;界面;決體制備;增強(qiáng)機(jī)制

中圖分類號(hào)：TB 333文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度，優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，良好的延展性等優(yōu)點(diǎn)。在汽車、航空航天、電子和光學(xué)儀器等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著石墨烯及其衍生物的發(fā)現(xiàn)，越來(lái)越多的研究者將其用作增強(qiáng)體來(lái)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，用以提高鋁基復(fù)合材料的綜合性能。經(jīng)石墨烯增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料的耐磨性、導(dǎo)熱性以及強(qiáng)度等都有顯著提升。目前，石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究主要集中在如何使石墨烯在鋁基體中均勻分散，以及如何避免鋁基體和石墨烯因接觸發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生碳化物（Al₄C₃）。本文綜述了常用的石墨烯增強(qiáng)體材料的種類，石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法以及增強(qiáng)機(jī)制，并展望了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展前景。

1增強(qiáng)體材料

目前的研究中，常用的石墨烯及其衍生物作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體材料有3種，即石墨烯，氧化石墨烯以及石墨納米片。

1.1石墨烯

石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和力學(xué)性能。石墨烯中碳原子的sp2雜化使其具有優(yōu)異的面內(nèi)彈性模量（0.5-1.0TPa）和抗拉強(qiáng)度（130GPa）。石墨烯納米級(jí)的尺寸與合金中的大部分沉淀相大小相比更加細(xì)小，這賦予了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能。由于石墨烯表面的疏水特性，僅有少量的研究是直接利用石墨烯來(lái)制備石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的。

1.2 氧化石墨烯

氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，具有很強(qiáng)的柔性。單層氧化石墨烯是碳原子通過(guò)sp2雜化形成以苯環(huán)為基本單元的骨架結(jié)構(gòu)，片層上存在環(huán)氧、羥基等含氧官能團(tuán)，而羧基、羰基多分布于邊緣。含氧官能團(tuán)的存在，使得氧化石墨烯可以很好地分散在水系溶液中。同時(shí)，含氧官能團(tuán)的存在以及π-π鍵的堆積作用，為氧化石墨烯與其他物質(zhì)結(jié)合提供了優(yōu)良位點(diǎn)。大部分石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料都以氧化石墨烯或改性的氧化石墨烯作為原料。

1.3 石墨納米片

石墨納米片是由層疊的石墨烯層（約10-30層）組成，在弱范德華力下相互黏結(jié)。石墨納米片具有易制備和成本低的優(yōu)點(diǎn)。石墨納米片由于優(yōu)異的電、熱、力學(xué)性能，高比表面和低密度，可以克服傳統(tǒng)材料的性能限制，因此常被用作鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體材料。

2 復(fù)合粉體的制備

增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的過(guò)程中，一方面由于石墨烯片之間的范德華力，石墨烯會(huì)在加工過(guò)程中團(tuán)聚;另一方面，由于石墨烯與鋁表面存在大的潤(rùn)濕角，直接影響石墨烯在鋁基體中的均勻分散。因此，為了提高石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的綜合性能，石墨烯均勻分散在鋁基體中成為了關(guān)鍵因素之一。常用的分散方法可分為物理方法和化學(xué)方法兩種。

2.1物理方法

2.1.1球磨

球磨是一種廣泛使用的混合粉末制備工藝。通過(guò)研磨球引入的沖擊力和切應(yīng)力可以破壞石墨納米片之間的范德華力，研磨罐的高速旋轉(zhuǎn)促進(jìn)了石墨烯在鋁粉中的均勻分散。然而球磨過(guò)程消耗能量較多且耗時(shí)較長(zhǎng)，研磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致石墨烯結(jié)構(gòu)被破壞，影響石墨烯的使用效果。

Zhang等采用球磨，熱壓和熱擠壓工藝制備了不同含量石墨納米片增強(qiáng)的A15083基復(fù)合材料。石墨納米片增強(qiáng)A15083復(fù)合材料的透射電子顯微鏡（仕ansmission electron microscope，TEM）圖如圖1（a）和（b）所示，石墨納米片嵌入晶粒中。圖1（c）顯示破碎的石墨納米片位于晶界處。結(jié)果表明，控制工藝條件，石墨納米片甚至是小碎片在此制備過(guò)程中可以均勻地分散在鋁基體中。

2.1.2浸漬

Sahoo等通過(guò)將石墨納米片涂覆在鋁基體表面，然后對(duì)此涂層進(jìn)行局部加熱并施加壓力來(lái)制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。這種工藝可以增強(qiáng)鋁基體的表面性能。具體制備過(guò)程如圖2所示，通過(guò)這種方法可以獲得石墨烯在鋁基體中的均勻分布。制備的復(fù)合材料表面硬度提高了約4倍。目前通過(guò)浸漬法制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料改性層的研究報(bào)道較少，預(yù)期更多的研究將集中在石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料改性層表面的磨損性和耐腐蝕性方面。

2.2 化學(xué)方法

2.2.1鋁粉表面改性一表面活性劑

在制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料過(guò)程中，常通過(guò)加入表面活性劑的方式來(lái)提高石墨烯在鋁基體中的分散性。表面活性劑分子，一方面可以吸附在氧化石墨烯表面，利用分子間的作用力實(shí)現(xiàn)單層石墨烯的分散，從而阻止氧化石墨烯的團(tuán)聚;另一方面可以增強(qiáng)鋁表面和石墨納米片之間的結(jié)合，從而提高氧化石墨烯在鋁基體中的分散性。其中最常用到的是聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA），十六烷基三甲基溴化銨（hexadecyl trimethyl ammoniμmbromide，CTAB），金屬陽(yáng)離子等。

2012年，Wang等將PVA改性的純鋁粉與氧化石墨烯混合，隨后進(jìn)行熱還原，首次制備了石墨納米片增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。測(cè)得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的石墨納米片增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料具有249MPa的抗拉強(qiáng)度，比未增強(qiáng)的鋁基材料提高了62%。

Gao等利用CTAB涂覆純鋁粉使其表面帶正電荷，后通過(guò)靜電自吸附實(shí)現(xiàn)氧化石墨納米片在純鋁粉上的均勻吸附，最后通過(guò)高溫?zé)Y(jié)制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，制備過(guò)程如圖3所示。與鋁基體相比，石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高約30%。

Ju等通過(guò)在石墨烯表面添加Mg²⁺來(lái)增強(qiáng)鋁表面和氧化石墨納米片之間的結(jié)合。Mg²⁺與氧化石墨烯的含氧官能團(tuán)通過(guò)化學(xué)鍵或靜電引力相結(jié)合，然后通過(guò)Mg²⁺與氧化石墨烯的羧基或環(huán)氧基團(tuán)的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)純鋁粉與氧化石墨納米片的均勻吸附。其中Mg²⁺一方面幫助氧化石墨烯附著到純鋁粉的表面，另一方面阻隔純鋁粉與氧化石墨烯的接觸，用來(lái)防止Al₄C₃的生成。

使用化學(xué)表面活性劑時(shí)可能會(huì)使復(fù)合材料的性能受到影響，因此，制備成復(fù)合粉后需要盡可能除去表面活性劑。

2.2.2靜電自吸附

靜電自吸附是一種通過(guò)簡(jiǎn)單的靜電相互作用而不需要任何化學(xué)試劑將氧化石墨烯均勻吸附到鋁基體上的方法。Li等通過(guò)直接靜電吸附法制備不同氧化石墨烯含量的石墨烯/純鋁復(fù)合粉，如圖4所示。僅使用氧化石墨納米片和Al³⁺之間的靜電引力就可以使質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)6.0%的氧化石墨烯均勻地吸附在純鋁粉上（見圖4a）。在吸附過(guò)程中氧化石墨烯可以通過(guò)電子交換部分還原，然后通過(guò)退火進(jìn)一步還原成石墨烯（見圖4b）。由于石墨烯的充分還原和均勻分布，致密化的塊體還原氧化石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料比未增強(qiáng)的純鋁具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。測(cè)得僅使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的石墨烯增強(qiáng)的復(fù)合材料與未增強(qiáng)的純鋁相比，彈性模量和硬度分別提高了18%和17%。

2.2.3原位生長(zhǎng)

化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）是利用甲烷等含碳化合物作為碳源，通過(guò)其在改性純鋁粉基體表面的高溫分解生長(zhǎng)石墨烯的方法。CVD法可使生長(zhǎng)的石墨烯均勻地分散在鋁基體中，然而該方法制備成本較高。

Liu等通過(guò)CVD工藝，在600℃下Cu²⁺改性的純鋁粉上生長(zhǎng)石墨納米片，在此基礎(chǔ)上，采用粉末冶金技術(shù)制備石墨納米片包覆銅增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，制備流程如圖5所示。CuCl₂中Cu²⁺的在氫氣中還原后均勻分散在鋁基體中。在Cu顆粒的協(xié)助下，成功合成了具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的石墨納米片，且該石墨納米片與純鋁粉牢固結(jié)合，從而使復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能。與未增強(qiáng)的純鋁相比，在添加石墨納米片體積分?jǐn)?shù)為2.5%的復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度提高了2倍。

3 界面反應(yīng)

純鋁和石墨烯之間的界面結(jié)合是決定復(fù)合材料力學(xué)性能的主要因素。界面會(huì)影響機(jī)械變形過(guò)程中從鋁基體到增強(qiáng)體的應(yīng)力傳遞的有效性，良好的界面結(jié)合力可以確保應(yīng)力能夠有效地通過(guò)增強(qiáng)相一基體區(qū)域。在石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備過(guò)程中，石墨烯可能會(huì)在研磨過(guò)程中粘附在鋁顆粒的表面，在機(jī)械合金化和隨后的燒結(jié)過(guò)程中與鋁基體之間的界面發(fā)生反應(yīng)，形成Al₄C₃。

Al₄C₃是一種脆性相，且具有吸濕性，Al₄C₃大量存在于復(fù)合材料中可能導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度降低。然而，在少數(shù)情況下，Al₄C₃如果能夠均勻地分散在復(fù)合材料基體上，也可以很好地轉(zhuǎn)移施加在鋁基體上的應(yīng)力，從而提高強(qiáng)度。

大量的研究表明，在制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，通過(guò)低能球磨工藝制備的復(fù)合材料沒(méi)有出現(xiàn)Al₄C₃，而高能球磨引起的石墨烯結(jié)構(gòu)的破壞則加速了Al₄C₃的形成。

Bartolucci等通過(guò)球磨，熱等靜壓和熱擠出工藝制備了石墨烯和碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。從圖6（a）中可以看出，用碳納米管增強(qiáng)的樣品具有最高的抗拉強(qiáng)度，用石墨烯增強(qiáng)的樣品具有最低的抗拉強(qiáng)度。圖6（b）顯示了樣品的平均失效應(yīng)變，用碳納米管和石墨烯增強(qiáng)的樣品均表現(xiàn)出最低的延展性。原因可能是石墨烯表面具有皺紋形態(tài)和缺陷，這些缺陷可以成為石墨烯與純鋁的反應(yīng)位點(diǎn)，生成Al₄C₃，導(dǎo)致石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度降低。

在Zhang等的研究中，球磨后部分石墨納米片被研磨成碎片并均勻分散在Al 5083基體中，其中一些結(jié)構(gòu)被破壞的石墨納米片將與純鋁反應(yīng)，在復(fù)合材料中形成Al₄C₃相。由于形成的Al₄C₃處于納米級(jí)別，因此也可以作為強(qiáng)化相。石墨納米片，Al₄C₃及石墨納米片與Al₄C₃共同作用，與石墨納米片的反應(yīng)分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖7所示。如果石墨納米片與純鋁沒(méi)有反應(yīng)（a=0），則強(qiáng)化效應(yīng)只能由石墨納米片引起，△σ同作用=△σ墨納米片=76MPa。如果石墨納米片與純鋁充分反應(yīng)（α=1），則強(qiáng)化效應(yīng)僅由Al₄C₃引起，△σ共同作用=△σAl₄C₃=154MPa。但事實(shí)上，石墨納米片僅有一部分與純鋁發(fā)生反應(yīng)，復(fù)合強(qiáng)化效應(yīng)為76-154MPa。因此推斷出石墨納米片和納米級(jí)Al₄C₃都可以作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體。

3.1界面反應(yīng)程度的表征

研究鋁基體與石墨烯增強(qiáng)體的界面反應(yīng)程度對(duì)于控制Al₄C₃的生成有非常重要的意義。

Yan等開發(fā)了一種電化學(xué)溶解方法來(lái)定量表征C/A1界面反應(yīng)程度，先將復(fù)合材料溶解在堿性溶液中，然后通過(guò)氣相色譜儀收集和測(cè)量Al₄C₃水解釋放的CH₄。研究了通過(guò)粉末冶金法制備的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度。根據(jù)計(jì)算碳納米管/鋁樣品的界面反應(yīng)程度，將結(jié)果繪制在圖8中。

由圖8可知，界面反應(yīng)程度隨著燒結(jié)溫度的升高和燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。因此，在制備復(fù)合材料時(shí)，可以通過(guò)控制燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間來(lái)控制界面反應(yīng)程度。

3.2 抑制界面反應(yīng)的方法

在復(fù)合材料中Al₄C₃可以作為增強(qiáng)相，但是易于水解，如存在過(guò)多會(huì)影響復(fù)合材料的使用性能。因此在制備復(fù)合材料時(shí)，常采用一些特殊的工藝來(lái)抑制燒結(jié)過(guò)程中界面反應(yīng)的發(fā)生，即Al₄C₃的生成。如低溫?cái)D壓以及壓力滲透法等。

3.2.1低溫?cái)D壓

制備石墨納米片增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，采用熱擠壓法，一方面會(huì)通過(guò)晶界釘扎細(xì)化晶粒，石墨納米片在塑性變形過(guò)程中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，以及有效轉(zhuǎn)移從鋁基體到石墨納米片的應(yīng)力，來(lái)改善復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度以及斷裂韌性;另一方面，當(dāng)溫度比較高時(shí)（通常>500℃）可能會(huì)在界面處形成不需要的Al₄C₃，Al₄C₃將會(huì)作為應(yīng)力集中的場(chǎng)所促進(jìn)脆性斷裂。因此在制備過(guò)程中，常采用低溫?cái)D壓來(lái)抑制Al₄C₃的形成。

Kμmar等通過(guò)在400℃將復(fù)合樣品以9：1的擠壓比熱擠壓成棒。熱擠壓后，在石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡（scanning electronmicroscope，SEM）圖中觀察到，石墨烯均勻分散在鋁基體中而沒(méi)有形成團(tuán)簇。此外，在鋁基體和石墨烯的界面處也沒(méi)有Al₄C₃的生成。

3.2.2壓力滲透法

壓力滲透法常用于制備鋁基復(fù)合材料，近年來(lái)，已經(jīng)有研究人員將此法用于制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

Yang等采用壓力滲透法制備了石墨納米片增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。擠壓處理之前的石墨納米片增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的TEM圖如圖9所示，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)針狀的Al₄C₃相，見圖9（a）。除此之外，鋁和碳的分布均勻，見圖9（c）。表明石墨納米片均勻地嵌入鋁基體中且很好地結(jié)合在一起。

4 塊體材料的制備

在制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的塊體材料時(shí)，使用不同的加工方法也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。目前，主要使用的是真空熱壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)兩種方法制備塊體材料。

4.1 熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)是將干燥粉料充填人模型內(nèi)，單軸方向加壓同時(shí)加熱，使成型和燒結(jié)同時(shí)完成的一種燒結(jié)方法。具有成型壓力低，細(xì)化晶粒等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是升溫時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)率較低以及可能引發(fā)燒結(jié)過(guò)程的副反應(yīng)。熱壓燒結(jié)是目前最常用的塊體材料制備方法之一。

Li等利用溶液混合法制備不同體積分?jǐn)?shù)的石墨納米片/純鋁復(fù)合粉，接著采用熱壓燒結(jié)制備塊體材料。石墨納米片均勻分散在鋁基體中，呈現(xiàn)良好的界面和微觀結(jié)構(gòu)特征，且在復(fù)合材料中沒(méi)有觀察到Al₄C₃。

4.2 放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)是在加壓粉末顆粒間直接通人脈沖電流，由火花放電瞬間產(chǎn)生的等離子體加熱顆粒，進(jìn)而使顆粒表面活化實(shí)現(xiàn)超快速致密化燒結(jié)的一種新技術(shù)。該方法具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)溫度低、生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。已有許多研究使用放電等離子燒結(jié)并取得了一定的進(jìn)展

Bisht等使用超聲處理將不同含量的石墨納米片均勻地分散在鋁基體中，并使用放電等離子燒結(jié)進(jìn)行固結(jié)，成功制備了具有高強(qiáng)度和高硬度的石墨納米片鋁基復(fù)合材料。同時(shí)在石墨納米片和純鋁之間的界面處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Al₄C₃添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的石墨納米片的復(fù)合材料硬度提高了21.4%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高84.5%和54.8%，比強(qiáng)度提高了86.0%。

使用熱壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)工藝制備的復(fù)合塊狀材料，其致密度往往達(dá)不到使用要求。因此在熱壓燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)之后，常采用熱軋或熱擠壓等二次加工技術(shù)，以期獲得高密度復(fù)合材料。

Zeng等通過(guò)溶液混合和粉末冶金法成功制備了石墨增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。試樣熱壓燒結(jié)后在480℃以12：1的擠壓比進(jìn)行擠壓。通過(guò)這種方法制得的復(fù)合材料，與未增強(qiáng)的鋁相比，復(fù)合材料中石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)其抗拉強(qiáng)度提高了25.0%。

5 增強(qiáng)機(jī)制

理解石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制對(duì)于提高鋁基復(fù)合材料的綜合性能有著非常重要的意義。目前，石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制包括：熱失配強(qiáng)化機(jī)制、剪切滯后強(qiáng)化機(jī)制、細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制以及Orowan強(qiáng)化機(jī)制等。

熱失配強(qiáng)化機(jī)制是指由于石墨烯與鋁基體的熱膨脹系數(shù)差異較大，導(dǎo)致石墨烯周圍產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)區(qū)，阻礙晶體的滑移，從而提高強(qiáng)度。因此在石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，一方面在復(fù)合材料中沿著鋁顆粒邊界分散良好的石墨烯會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng);另一方面石墨烯可以作為位錯(cuò)吸收體，防止位錯(cuò)堆積，從而提高鋁基體的強(qiáng)度。

剪切滯后模型是目前最常用的預(yù)測(cè)材料性能的強(qiáng)化機(jī)制。石墨烯具有大的縱橫比，以及由此所導(dǎo)致的與金屬材料的界面接觸面積大，有利于將金屬基體中的應(yīng)力向石墨烯中轉(zhuǎn)移，從而承擔(dān)基體所受的應(yīng)力。石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度σ_c可以表示為：

σ_c=σ_m（1+pV） （1）

式中：σ_c為金屬基體的屈服強(qiáng)度;p和V分別為石墨烯的長(zhǎng)徑比和體積分?jǐn)?shù)。

在制備石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的燒結(jié)過(guò)程中，在石墨烯處形核，基體內(nèi)會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，與此同時(shí)石墨烯也作為異質(zhì)晶核促進(jìn)結(jié)晶，從而提高形核率，達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。Hall-Petch公式可以用來(lái)估算石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系：

σ_c=σ₀+kd^1/2（2）

式中：σ_c為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度;σ₀為金屬基體的屈服強(qiáng)度;k為斜率;d為晶粒尺寸。

從式（2）中可以看出，晶粒尺寸的減小能夠提高復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度。

Orowan強(qiáng)化機(jī)制是石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中最常見的強(qiáng)化機(jī)制之一，在利用高剪切應(yīng)力如軋制技術(shù)制備的復(fù)合材料中占據(jù)主導(dǎo)地位。在Orowan強(qiáng)化過(guò)程中，位錯(cuò)在兩個(gè)顆粒之間彎曲，并且當(dāng)彎曲位錯(cuò)成為半圓形時(shí)發(fā)生屈服。屈服后，弓形位錯(cuò)在顆粒周圍形成Orowan環(huán)，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并導(dǎo)致產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。式（3）給出了由于Orowan循環(huán)而引起的屈服強(qiáng)度的增加：式中：M為泰勒因子;G為矩陣的剪切模量;b為矩陣的柏氏矢量;dp為平均粒子距離;v為泊松比;λ為粒子之間的平均中心到中心的距離，λ=1/2dp（3π/2fv）^1/2。

6 結(jié)束語(yǔ)

石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能，在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。然而目前制備高性能石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的過(guò)程中還存在著許多難點(diǎn)，需要人們?nèi)ソ鉀Q。

（1）石墨烯在鋁基體中的分散性問(wèn)題。球磨以及添加表面活性劑等方法以被證明可實(shí)現(xiàn)石墨烯在鋁基體中的均勻分散。

（2）盡管Al₄C₃的作用機(jī)制尚不明確，但是大多數(shù)的研究表明大量Al₄C₃的存在會(huì)使石墨烯樣品機(jī)械強(qiáng)度降低。因此，在制備過(guò)程中應(yīng)選擇合適的方法避免生成大量Al₄C₃。

（3）塊體材料的致密性對(duì)于復(fù)合材料的力學(xué)性能有著不可忽視的影響。然而目前要得到高致密度的塊體材料，往往需要后續(xù)工藝處理。

（4）為了獲得高性能的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，還需對(duì)增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)行更深入研究，以制定最優(yōu)化的生產(chǎn)工藝來(lái)制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。