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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題如何解決？

IKN 2019-11-20 | 閱讀：2666

加入石墨烯可成就“王牌”鋁合金，但是巨難的混粉分散問題如何解決？

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

近些年，隨著石墨烯及類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度和屈服強度等力學(xué)性能。優(yōu)異的力學(xué)性能使得石墨烯增強鋁基納米復(fù)合材料在航空、航天、電子和汽車工業(yè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

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

★（1）如何實現(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)用過程中易于產(chǎn)生團聚，并對復(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。將石墨烯與鋁粉進行簡單的機械混合并不能使石墨烯與鋁粉完全分散均勻，為了減少石墨烯團聚的現(xiàn)象，小編發(fā)現(xiàn)文獻報道中提出了多種混粉方法，包括超聲分散、濕法機械攪拌混合、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來，一些研究者提出了將石墨烯與鋁粉在有機溶劑中進行機械攪拌混合的方法。為了進一步提高石墨烯的分散均勻性，在與鋁粉混合之前先對石墨烯進行分散處理。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行機械干球磨，得到分散性較好的石墨烯/鋁復(fù)合粉末，但是，在干球磨過程中，石墨烯的結(jié)構(gòu)往往會遭到破壞，從而使石墨烯對復(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行濕球磨。即在球磨過程中，球磨罐中常加入有機過程控制劑如甲醇、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)合粉末在球磨過程中氧化，通常還會采用氬氣保護。據(jù)小編了解，高能球磨工藝雖然能夠簡單和有效地分散石墨烯納米片，但同時也容易引入雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷。

通過對鋁顆粒進行表面改性，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)過改性的鋁顆粒表面可以通過氫氧鍵被石墨烯納米片有效包裹。最終，表面改性劑會在后續(xù)熱工藝過程中通過熱解反應(yīng)除去。因石墨烯納米片的吸附能力得到顯著改善，通過吸附能夠有效地實現(xiàn)其對鋁顆粒的包覆，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)攪拌一定時間。由于羧基和羥基等離子化基團的存在，氧化石墨烯在水溶液中帶負電荷，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于它們之間的均勻混合至關(guān)重要。

我們在開篇所提及的烯碳鋁合金，據(jù)媒體報道，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)，最終開發(fā)出“微納疊片粉末冶金”這一獨創(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。