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加入石墨烯可成就“王牌”鋁合金，但是巨難的混粉分散問(wèn)題如何解決？

近日，上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺(tái)推出的首個(gè)拳頭產(chǎn)品烯碳鋁合金錠坯成功下線，它解決了傳統(tǒng)鋁合金剛度不強(qiáng)的問(wèn)題，有助于我國(guó)航空、高鐵、汽車(chē)等高端制造領(lǐng)域步入輕量化時(shí)代。

近些年，隨著石墨烯及類(lèi)石墨烯材料制備和分散技術(shù)的飛速發(fā)展，研究者們嘗試將石墨烯加入鋁基體中，并做出了一些開(kāi)創(chuàng)性的工作，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯是一種優(yōu)異的鋁基復(fù)合材料納米增強(qiáng)相。

據(jù)小編了解，與碳纖維和碳納米管相比，石墨烯材料具有更高的強(qiáng)度、更高的模量、更大的比表面積和更好的延伸性能，少量石墨烯的加入即可顯著提高鋁基體的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能。優(yōu)異的力學(xué)性能使得石墨烯增強(qiáng)鋁基納米復(fù)合材料在航空、航天、電子和汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)悉，目前石墨烯增強(qiáng)鋁基納米復(fù)合材料的主要科學(xué)和工程問(wèn)題包括：

★（1）如何實(shí)現(xiàn)石墨烯在鋁合金基體中的有效分散；

★（2）如何獲得石墨烯納米填料與鋁基材料之間的良好界面結(jié)合；

★（3）如何確保在冶金、變形和熱處理工藝溫度下保持石墨烯填料的結(jié)構(gòu)不被破壞。

由于石墨烯材料有非常大的比表面積，石墨烯納米填料趨向于彼此重疊以降低它們的表面能，從而導(dǎo)致在納米復(fù)合材料制備和應(yīng)用過(guò)程中易于產(chǎn)生團(tuán)聚，并對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。此外，鋁合金基體和石墨烯納米填料之間的密度差距較大，這為石墨烯納米片在鋁合金基體中的均勻分散帶來(lái)了巨大困難。

石墨烯在鋁基體中的有效分散成為制備石墨烯/鋁復(fù)合材料所要解決的首要難題。將石墨烯與鋁粉進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)械混合并不能使石墨烯與鋁粉完全分散均勻，為了減少石墨烯團(tuán)聚的現(xiàn)象，小編發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)報(bào)道中提出了多種混粉方法，包括超聲分散、濕法機(jī)械攪拌混合、球磨、行星式高能球磨、表面改性及靜電吸附等。

最簡(jiǎn)單的混粉方法就是直接將石墨烯與基體鋁粉混合到一起，但是石墨烯片層之間的范德華力和靜電作用使得石墨烯難以分散，混粉效果不好。為了改善石墨烯的分散性，使聚集的石墨烯分散開(kāi)來(lái)，一些研究者提出了將石墨烯與鋁粉在有機(jī)溶劑中進(jìn)行機(jī)械攪拌混合的方法。為了進(jìn)一步提高石墨烯的分散均勻性，在與鋁粉混合之前先對(duì)石墨烯進(jìn)行分散處理。石墨烯的分散處理溶劑常選用乙醇、丙酮或異丙酮等溶劑。

球磨法混粉方法。美國(guó)Bastwros等將6061Al粉與自制的石墨烯混合之后，放入氧化鋯罐中直接進(jìn)行機(jī)械干球磨，得到分散性較好的石墨烯/鋁復(fù)合粉末，但是，在干球磨過(guò)程中，石墨烯的結(jié)構(gòu)往往會(huì)遭到破壞，從而使石墨烯對(duì)復(fù)合材料性能的提高作用降低。

為了防止或減少石墨烯結(jié)構(gòu)的破壞，并提高出粉率，常采用液體溶液介質(zhì)作為分散劑，并使復(fù)合粉末在分散劑作用下進(jìn)行濕球磨。即在球磨過(guò)程中，球磨罐中常加入有機(jī)過(guò)程控制劑如甲醇、乙醇、硬脂酸、丙酮或四氯化碳等，或低溫溶劑液氮等，與復(fù)合粉末一同進(jìn)行球磨。與干球磨相比，濕球磨工藝下復(fù)合粉末的分散性更好。另外，為了防止復(fù)合粉末在球磨過(guò)程中氧化，通常還會(huì)采用氬氣保護(hù)。據(jù)小編了解，高能球磨工藝雖然能夠簡(jiǎn)單和有效地分散石墨烯納米片，但同時(shí)也容易引入雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷。

通過(guò)對(duì)鋁顆粒進(jìn)行表面改性，使鋁顆粒與石墨烯之間具有更好的兼容性。高親水性聚合物(如聚乙烯醇(PVA))是典型的表面改性劑。經(jīng)過(guò)改性的鋁顆粒表面可以通過(guò)氫氧鍵被石墨烯納米片有效包裹。最終，表面改性劑會(huì)在后續(xù)熱工藝過(guò)程中通過(guò)熱解反應(yīng)除去。因石墨烯納米片的吸附能力得到顯著改善，通過(guò)吸附能夠有效地實(shí)現(xiàn)其對(duì)鋁顆粒的包覆，從而獲得石墨烯納米片的均勻分散。然而，如果表面改性劑不能完全熱解，其也將作為雜質(zhì)殘留在材料內(nèi)部成為雜質(zhì)相。

為了簡(jiǎn)化吸附工藝和避免不必要的污染，出現(xiàn)了一種基于石墨烯和鋁顆粒之間靜電相互作用的特定靜電吸附方法。在該方法中，首先將氧化石墨烯納米片分散到水溶液中，然后混入鋁顆粒并持續(xù)攪拌一定時(shí)間。由于羧基和羥基等離子化基團(tuán)的存在，氧化石墨烯在水溶液中帶負(fù)電荷，而鋁顆粒由于其表面的電離而帶正電荷。氧化石墨烯和鋁顆粒之間的靜電吸引力對(duì)于它們之間的均勻混合至關(guān)重要。

我們?cè)陂_(kāi)篇所提及的烯碳鋁合金，據(jù)媒體報(bào)道，是由上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張荻教授借鑒貝殼“珍珠母”的疊層結(jié)構(gòu)，最終開(kāi)發(fā)出“微納疊片粉末冶金”這一獨(dú)創(chuàng)的仿生復(fù)合技術(shù)：先將鋁制成微納片狀粉末，再與碳納米管和石墨烯（從世界上各種石墨烯粉末中挑選出最適宜添加在鋁合金中的一種）在微觀尺度下均勻復(fù)合成為“磚”，然后通過(guò)工藝控制，像壘墻一樣形成“磚砌式”疊層結(jié)構(gòu)的烯碳鋁基復(fù)合材料。

參考資料：

燕紹九等.石墨烯增強(qiáng)鋁基納米復(fù)合材料研究進(jìn)展

魯寧寧等.石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)研究進(jìn)展