水丽等：石墨烯含量对石墨烯/A1-15Si-4Cu~Mg复合材料微观组织和力学性能的影响 ·1163· With an addition of 0.8%GNFs,the composite exhibited higher strength and micro-hardness (321 MPa of tensile strength and HV 98 of micro hardness),with the strength and micro-hardness increasing by 19.3%46.2%,respectively,compared with the pure Al- 15Si-4Cu-Mg composite without added GNFs.With the addition of 0.4%GNFs,the yield strength reaches 221 MPa:however,the micro-hardness and ductility (elongation rate)are enhanced.The combined properties of the GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg composite ob- tained are clearly improved. KEY WORDS GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg composites;graphene nanoflakes;morphology;mechanical properties;hardness 铝基复合材料作为一种常见的金属基复合材 硅为主要基体元素，铜、镁为微量强化元素的金属粉 料，具有低密度、低膨胀、耐磨损、耐腐蚀、导热性好 末中，通过热压烧结制备石墨烯/铝-硅基复合材 及复合材料制备工艺灵活等优点.随着航空航天、 料.目的是提高铝硅基复合材料的力学性能，开发 国防装备、汽车电子等高新技术的快速发展，高温、新型高强度、低膨胀、耐磨损的发动机活塞与泵类材 重载和重污染腐蚀等苛刻服役条件对机械设备的可 料.探究不同石墨烯含量对铝硅基复合材料的微观 靠性和长期稳定性提出了更高的要求.因此，研发 组织和力学性能的影响，为新型石墨烯复合材料的 新型高性能铝基复合材料成为目前铝基复合材料研 研发与应用提供理论依据. 究的热点[-).石墨烯(graphene nanoflakes)是碳原 子以sp2杂化链接的六角型蜂巢状结构的二维材 1试样制备及实验方法 料)，因其在力学、电学、热学、光学等方面优异的 将石墨烯与铝硅粉（铜、镁粉忽略不计）视为一 性能受到研究者的重视与青睐.相比于其他碳纤维 个简单的球磨包覆模型，模型中铝硅粉相当于一个 和颗粒增强体复合材料，石墨烯/铝复合材料的拉伸 个小球，经球磨分散后石墨烯包裹在铝硅粉末颗粒 强度和基体相比有显著提高，同时随着石墨烯含量 表面，当达到完全包覆粉末颗粒时即达到了石墨烯 的增加，复合材料的热膨胀性能也得到明显改善. 最大添加量，石墨烯含量继续增加时会产生团聚现 管仁国等1采用机械搅拌法在660~720℃将石墨 象.此时石墨烯的最大临界含量可用下式表述)： 烯-C山加入纯铝中制备出石墨烯铝基复合材料，其 硬度相对于纯铝基体提高约40%.Wang等[6)采用 m(1-0)/eAur =moA/n (1) 4/3Tr 雾化法制备超细铝粉，将铝粉和石墨烯混合球磨分 式中：ω为石墨烯片的临界质量分数，m为复合材料 散，在110MPa下热等静压烧结得到石墨烯增强铝 的质量，g:p是Al-15Si金属混合粉末的密度，g· 基复合材料.与纯铝相比，当加入石墨烯的质量分 cm-3:r是基体晶粒的粒径，m(用Al-15Si-4Cu- 数仅为0.3%时，材料的抗拉强度从323提高到388 Mg复合材料的基体晶粒粒径代替).A为1g单层 MPa,而材料的延伸率几乎与纯铝相当. 石墨烯的面积，根据文献[12]A的取值为2630m2, 研究表明，一些石墨烯增强金属基复合材料不 为石墨烯的碳原子层数.试验所用少层石墨烯为 仅具有良好的力学性能，而且具有优异的热稳定性 和抗磨损性能[7-8).Yolshina等9]采用原位合成法 山东欧铂公司生产的BP-02型产品，厚度为2.5 使含碳添加剂与熔融态铝在空气中反应制备石墨 nm,比表面积501m2·g,石墨烯的碳原子层数约 烯/铝复合材料，结果表明，其耐磨性能远优于传统 为10，将石墨烯和铝硅粉的参数代入式(1)，可得石 的陶瓷纤维和颗粒增强的铝基复合材料.Bastwros 墨烯临界质量分数近似0.96%，因此石墨烯的最高 等[1o]采用半固态烧结法制备石墨烯/A-Ti复合材 添加量应低于1.0%.实验采用千混方式，将超细铝 料，对比测试了0.5%、1.0%、2.0%质量分数的石 硅粉(Al-15Si粉的粒径为20μm,纯度为99.9%) 墨烯纳米片(GNFs)添加到A1-10Ti基复合材料的 和适量铜、镁粉（纯度为99.5%，粒径为76m)和 抗拉强度.结果显示，3组试样在一定程度上均提 石墨烯按不同比例装入混料罐中，加入球料质量比 高了抗拉强度，但1.0%石墨烯含量的试样强度值 为5：1的氧化锆陶瓷磨球，在Turbula-mix三维空间 高达352MPa,是另外两组试样的1~2倍.出现这 脉动低温球磨混料机上混制石墨烯质量分数分别为 种情况表明，石墨烯含量存在一个均匀分散阀值，含 0、0.4%、0.8%、1.0%4组试样.球磨机转数40r· 量过高则会出现团聚现象，导致强度值不升反降. min-1,球磨分散56h,其间在24h、48h时间歇静置 对于不同复合材料体系，此阀值也不同 一段时间，以防罐内温度过高出现“冷焊”现象.将 本文采用低温球磨工艺，将石墨烯添加到以铝、 石墨烯-混合粉在ZR-6-8Y型真空钼丝热压烧结水 丽等: 石墨烯含量对石墨烯/ Al鄄鄄15Si鄄鄄4Cu鄄鄄Mg 复合材料微观组织和力学性能的影响 With an addition of 0郾 8% GNFs, the composite exhibited higher strength and micro鄄 hardness (321 MPa of tensile strength and HV 98 of micro hardness), with the strength and micro鄄hardness increasing by 19郾 3% 和 46郾 2% , respectively, compared with the pure Al鄄鄄 15Si鄄鄄4Cu鄄鄄Mg composite without added GNFs. With the addition of 0郾 4% GNFs, the yield strength reaches 221 MPa; however, the micro鄄hardness and ductility (elongation rate) are enhanced. The combined properties of the GNFs/ Al鄄鄄15Si鄄鄄4Cu鄄鄄Mg composite ob鄄 tained are clearly improved. KEY WORDS GNFs/ Al鄄鄄15Si鄄鄄4Cu鄄鄄Mg composites; graphene nanoflakes; morphology; mechanical properties; hardness 铝基复合材料作为一种常见的金属基复合材 料,具有低密度、低膨胀、耐磨损、耐腐蚀、导热性好 及复合材料制备工艺灵活等优点. 随着航空航天、 国防装备、汽车电子等高新技术的快速发展,高温、 重载和重污染腐蚀等苛刻服役条件对机械设备的可 靠性和长期稳定性提出了更高的要求. 因此,研发 新型高性能铝基复合材料成为目前铝基复合材料研 究的热点[1鄄鄄3] . 石墨烯( graphene nanoflakes)是碳原 子以 sp2 杂化链接的六角型蜂巢状结构的二维材 料[4] , 因其在力学、电学、热学、光学等方面优异的 性能受到研究者的重视与青睐. 相比于其他碳纤维 和颗粒增强体复合材料,石墨烯/ 铝复合材料的拉伸 强度和基体相比有显著提高,同时随着石墨烯含量 的增加,复合材料的热膨胀性能也得到明显改善. 管仁国等[5]采用机械搅拌法在 660 ~ 720 益 将石墨 烯鄄鄄Cu 加入纯铝中制备出石墨烯铝基复合材料,其 硬度相对于纯铝基体提高约 40% . Wang 等[6] 采用 雾化法制备超细铝粉,将铝粉和石墨烯混合球磨分 散,在 110 MPa 下热等静压烧结得到石墨烯增强铝 基复合材料. 与纯铝相比,当加入石墨烯的质量分 数仅为 0郾 3% 时,材料的抗拉强度从 323 提高到 388 MPa,而材料的延伸率几乎与纯铝相当. 研究表明,一些石墨烯增强金属基复合材料不 仅具有良好的力学性能,而且具有优异的热稳定性 和抗磨损性能[7鄄鄄8] . Yolshina 等[9] 采用原位合成法 使含碳添加剂与熔融态铝在空气中反应制备石墨 烯/ 铝复合材料,结果表明,其耐磨性能远优于传统 的陶瓷纤维和颗粒增强的铝基复合材料. Bastwros 等[10]采用半固态烧结法制备石墨烯/ Al鄄鄄 Ti 复合材 料,对比测试了 0郾 5% 、1郾 0% 、2郾 0% 质量分数的石 墨烯纳米片(GNFs)添加到 Al鄄鄄10Ti 基复合材料的 抗拉强度. 结果显示,3 组试样在一定程度上均提 高了抗拉强度,但 1郾 0% 石墨烯含量的试样强度值 高达 352 MPa,是另外两组试样的 1 ~ 2 倍. 出现这 种情况表明,石墨烯含量存在一个均匀分散阀值,含 量过高则会出现团聚现象,导致强度值不升反降. 对于不同复合材料体系,此阀值也不同. 本文采用低温球磨工艺,将石墨烯添加到以铝、 硅为主要基体元素,铜、镁为微量强化元素的金属粉 末中,通过热压烧结制备石墨烯/ 铝鄄鄄 硅基复合材 料. 目的是提高铝硅基复合材料的力学性能,开发 新型高强度、低膨胀、耐磨损的发动机活塞与泵类材 料. 探究不同石墨烯含量对铝硅基复合材料的微观 组织和力学性能的影响,为新型石墨烯复合材料的 研发与应用提供理论依据. 1 试样制备及实验方法 将石墨烯与铝硅粉(铜、镁粉忽略不计)视为一 个简单的球磨包覆模型,模型中铝硅粉相当于一个 个小球,经球磨分散后石墨烯包裹在铝硅粉末颗粒 表面,当达到完全包覆粉末颗粒时即达到了石墨烯 最大添加量,石墨烯含量继续增加时会产生团聚现 象. 此时石墨烯的最大临界含量可用下式表述[11] : m(1 - 棕) / 籽 4 / 3仔r 3 4仔r 2 = m棕A / n (1) 式中:棕 为石墨烯片的临界质量分数,m 为复合材料 的质量,g;籽 是 Al鄄鄄 15Si 金属混合粉末的密度,g· cm - 3 ;r 是基体晶粒的粒径,滋m (用 Al鄄鄄 15Si鄄鄄 4Cu鄄鄄 Mg 复合材料的基体晶粒粒径代替). A 为 1 g 单层 石墨烯的面积,根据文献[12] A 的取值为 2630 m 2 , n 为石墨烯的碳原子层数. 试验所用少层石墨烯为 山东欧铂公司生产的 BP鄄鄄 02 型产品,厚度为 2郾 5 nm,比表面积 501 m 2·g - 1 ,石墨烯的碳原子层数约 为 10,将石墨烯和铝硅粉的参数代入式(1),可得石 墨烯临界质量分数近似 0郾 96% ,因此石墨烯的最高 添加量应低于 1郾 0% . 实验采用干混方式,将超细铝 硅粉(Al鄄鄄 15Si 粉的粒径为 20 滋m,纯度为 99郾 9% ) 和适量铜、镁粉(纯度为 99郾 5% ,粒径为 76 滋m )和 石墨烯按不同比例装入混料罐中,加入球料质量比 为 5颐 1的氧化锆陶瓷磨球,在 Turbula鄄鄄 mix 三维空间 脉动低温球磨混料机上混制石墨烯质量分数分别为 0、0郾 4% 、0郾 8% 、1郾 0% 4 组试样. 球磨机转数 40 r· min - 1 ,球磨分散 56 h,其间在 24 h、48 h 时间歇静置 一段时间,以防罐内温度过高出现“冷焊冶现象. 将 石墨烯鄄鄄混合粉在 ZR鄄鄄6鄄鄄8Y 型真空钼丝热压烧结 ·1163·