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1、石墨烯纳米带增强铝基复合材料JingyueWang,aZhiqiangLi,a,＊GenlianFan,aHuanhuanPan,aZhixinChenbandDiZhanga,＊a金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学，200240，中国。bWollongon大学工学院，Wollongon，NSW2522，澳大利亚。收于2011年11月12日,修订于2012年1月3日,接受于2012年1月9日网上发表于2012年1月16日石墨烯的断裂强度为125GPa,这使其成为复合材料的理想增强体。石墨烯纳米片（GNSs)增强铝基复合材料就是首次基于可行的片状粉末冶金法制
2、备而成的，仅仅加入0.3wt.%的GNSs增强铝基复合材料，其抗拉强度就变为249MPa,与未被增强的铝基相比提高了62%。此次实验对GNS/Al复合材料的相关增强机制进行了研究和讨论。关键词：金属基复合材料；石墨烯纳米片；片状粉末冶金；机械性能；增强机制石墨烯碳原子之间通过SP2杂化结合，具有完美的二维晶体结构[1,2]近年来由于其具有出色的性能，例如高杨氏模量（1TPa）[3],高断裂强度（125MPa)[3],极高的导热率（5000Wm-1k-1)[4]和超高的载流子流动性(200,000cm2V-1s-1)[5]，这引起了人们对它极大的关注。石墨烯纳米带是
3、由几层石墨烯组成的，性能与单层石墨烯相似，但更容易制备和处理。GNSs的性能可能显著优于碳纳米管（CNTs)，并且其在电子和复合材料领域做为优良的电子组件和理想的增强体有巨大的潜力。因此对于GNSs纳米复合材料的研究和发展是石墨烯在实际应用中的关键所在[6]。另一方面,由于金属基复合材料相比与传统金属和合金具有更高的强度以及更轻的质量，它(间)被广泛应用于汽车、航空航天和电子行业[6]。在过去十年，人们为了满足对结构强度和能源效率日益增长的要求[7]，已经对CNT增强铝基复合材料（CNT/Al)进行了广泛而深入的研究。但是尽管在有些方面已经取得很多进步，但是正真将
4、CNT/Al复合材料投入到实际应用中去仍然需要很长一段时间。其中我们所面临的主要挑战是要保证CNTs在铝基体中均匀分散且不破坏碳纳米管的结构。然而，与CNTs相比，GNSs具有的片层结构更容易处理使其在溶剂及各种基体中分散。因此，我们相信GNS/Al有很大的潜力取代CNT/Al，成为下一代金属基复合材料（MMCs）的候选。然而与聚合物和陶瓷相比基于GNS的金属基复合材料几乎没有研究过。现有的大部分报道都集中在贵金属和氧化物如Au、Pt、Ag和TiO2的纳米颗粒在GNSs表面的沉积，以赋予新的功能，例如催化、能源存储、光催化、传感和光电特性[8-10]。最近已经有几
5、篇关于模拟GNS/金属（Al,Cu,Ni)界面结构和预测GNS/Al机械性能的论文发表出来[11-13]。然而据我们所知，还没有关于制备和表征块体GNS/金属基复合材料性能的报道。所以，在本次试验中，我们研究了一种新颖的方法基于片状粉末冶金（FlakePM)[14]制备块体GNS/Al复合材料，并对块体GNS/Al复合材料的机械性能进行了测试。在实验数据的基础上对GNS相关的增强机制进行了讨论。合成GNS/Al复合材料的技术所面临的挑战与CNT/Al复合材料非常相似。要使GNS作为增强相发挥全部潜力，就必须寻找一个有效的方法使GNS在铝基体中均匀分散同时保持GNS
6、的结构完整性。幸运的是，片状粉末冶金法最近被开发用来制造CNT/Al复合材料，也被证明适用于GNS/Al复合材料。这种方法用石墨烯氧化物（GO）作为原材料而不是GNSs，因其在GO表面有许多羟基和脂基官能团，使得它比石墨烯更容易在溶剂中分散并形成更稳定的溶液[15,16]。石墨烯氧化物首先被吸附到聚乙烯醇酒精处理过的阿尔薄片上，然后迅速升高到高温生产出GNSs[17,18]。尽管有氧气残留且GO表面会产生点缺陷，但是这种方法能够使GNSs有效均匀地分散在片状铝粉末及最终形成的GNS/Al复合材料中。通过粉末压制，烧结和热挤压来固化吸收了GNS的铝片粉末制成块体复合
7、材料。仅仅添加0.3wt.%的GNSs其抗拉强度就从154增加到249MPa并且延展性也增加了原来的13%。这表明GNSs在铝基体中是一个具有发展前景的有效增强体，并且我们制备GNS/金属基复合材料的方法也是有效和成功的。论文中基于片状粉末冶金的方法包括四步：（1）GO分散液准备。石墨烯氧化物（0.1g,纯度95%）加入到去离子水（200ml）中溶液经过超声波降解直到变为棕色，这表明石墨烯氧化物已经剥落成几层甚至是单层纳米带。（2）铝薄片制备及表面改性。通过最大功率转速为325rpm的球磨机球磨球形铝粉（直径大约10um,纯度99%）转化成2um厚的铝片。然后将铝
8、薄片经过P
