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1、石墨烯納米帶增強鋁基復(fù)合材料JingyueWang,aZhiqiangLi,a,＊GenlianFan,aHuanhuanPan,aZhixinChenbandDiZhanga,＊a金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室,上海交通大學(xué)，200240，中國。bWollongon大學(xué)工學(xué)院，Wollongon，NSW2522，澳大利亞。收于2011年11月12日,修訂于2012年1月3日,接受于2012年1月9日網(wǎng)上發(fā)表于2012年1月16日石墨烯的斷裂強度為125GPa,這使其成為復(fù)合材料的理想增強體。石墨烯
2、納米片（GNSs)增強鋁基復(fù)合材料就是首次基于可行的片狀粉末冶金法制備而成的，僅僅加入0.3wt.%的GNSs增強鋁基復(fù)合材料，其抗拉強度就變?yōu)?49MPa,與未被增強的鋁基相比提高了62%。此次實驗對GNS/Al復(fù)合材料的相關(guān)增強機制進行了研究和討論。關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料；石墨烯納米片；片狀粉末冶金；機械性能；增強機制石墨烯碳原子之間通過SP2雜化結(jié)合，具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)[1,2]近年來由于其具有出色的性能，例如高楊氏模量（1TPa）[3],高斷裂強度（125MPa)[3],極高的導(dǎo)熱率（
3、5000Wm-1k-1)[4]和超高的載流子流動性(200,000cm2V-1s-1)[5]，這引起了人們對它極大的關(guān)注。石墨烯納米帶是由幾層石墨烯組成的，性能與單層石墨烯相似，但更容易制備和處理。GNSs的性能可能顯著優(yōu)于碳納米管（CNTs)，并且其在電子和復(fù)合材料領(lǐng)域做為優(yōu)良的電子組件和理想的增強體有巨大的潛力。因此對于GNSs納米復(fù)合材料的研究和發(fā)展是石墨烯在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵所在[6]。另一方面,由于金屬基復(fù)合材料相比與傳統(tǒng)金屬和合金具有更高的強度以及更輕的質(zhì)量，它(間)被廣泛應(yīng)用于汽車、航
4、空航天和電子行業(yè)[6]。在過去十年，人們?yōu)榱藵M足對結(jié)構(gòu)強度和能源效率日益增長的要求[7]，已經(jīng)對CNT增強鋁基復(fù)合材料（CNT/Al)進行了廣泛而深入的研究。但是盡管在有些方面已經(jīng)取得很多進步，但是正真將CNT/Al復(fù)合材料投入到實際應(yīng)用中去仍然需要很長一段時間。其中我們所面臨的主要挑戰(zhàn)是要保證CNTs在鋁基體中均勻分散且不破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)。然而，與CNTs相比，GNSs具有的片層結(jié)構(gòu)更容易處理使其在溶劑及各種基體中分散。因此，我們相信GNS/Al有很大的潛力取代CNT/Al，成為下一代金屬基復(fù)
5、合材料（MMCs）的候選。然而與聚合物和陶瓷相比基于GNS的金屬基復(fù)合材料幾乎沒有研究過?，F(xiàn)有的大部分報道都集中在貴金屬和氧化物如Au、Pt、Ag和TiO2的納米顆粒在GNSs表面的沉積，以賦予新的功能，例如催化、能源存儲、光催化、傳感和光電特性[8-10]。最近已經(jīng)有幾篇關(guān)于模擬GNS/金屬（Al,Cu,Ni)界面結(jié)構(gòu)和預(yù)測GNS/Al機械性能的論文發(fā)表出來[11-13]。然而據(jù)我們所知，還沒有關(guān)于制備和表征塊體GNS/金屬基復(fù)合材料性能的報道。所以，在本次試驗中，我們研究了一種新穎的方法基于片
6、狀粉末冶金（FlakePM)[14]制備塊體GNS/Al復(fù)合材料，并對塊體GNS/Al復(fù)合材料的機械性能進行了測試。在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對GNS相關(guān)的增強機制進行了討論。合成GNS/Al復(fù)合材料的技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)與CNT/Al復(fù)合材料非常相似。要使GNS作為增強相發(fā)揮全部潛力，就必須尋找一個有效的方法使GNS在鋁基體中均勻分散同時保持GNS的結(jié)構(gòu)完整性。幸運的是，片狀粉末冶金法最近被開發(fā)用來制造CNT/Al復(fù)合材料，也被證明適用于GNS/Al復(fù)合材料。這種方法用石墨烯氧化物（GO）作為原材料而不是G
7、NSs，因其在GO表面有許多羥基和脂基官能團，使得它比石墨烯更容易在溶劑中分散并形成更穩(wěn)定的溶液[15,16]。石墨烯氧化物首先被吸附到聚乙烯醇酒精處理過的阿爾薄片上，然后迅速升高到高溫生產(chǎn)出GNSs[17,18]。盡管有氧氣殘留且GO表面會產(chǎn)生點缺陷，但是這種方法能夠使GNSs有效均勻地分散在片狀鋁粉末及最終形成的GNS/Al復(fù)合材料中。通過粉末壓制，燒結(jié)和熱擠壓來固化吸收了GNS的鋁片粉末制成塊體復(fù)合材料。僅僅添加0.3wt.%的GNSs其抗拉強度就從154增加到249MPa并且延展性也增加了
8、原來的13%。這表明GNSs在鋁基體中是一個具有發(fā)展前景的有效增強體，并且我們制備GNS/金屬基復(fù)合材料的方法也是有效和成功的。論文中基于片狀粉末冶金的方法包括四步：（1）GO分散液準(zhǔn)備。石墨烯氧化物（0.1g,純度95%）加入到去離子水（200ml）中溶液經(jīng)過超聲波降解直到變?yōu)樽厣?，這表明石墨烯氧化物已經(jīng)剝落成幾層甚至是單層納米帶。（2）鋁薄片制備及表面改性。通過最大功率轉(zhuǎn)速為325rpm的球磨機球磨球形鋁粉（直徑大約10um,純度99%）轉(zhuǎn)化成2um厚的鋁片。然后將鋁薄片經(jīng)過P
