摘要: 综合运用超声分散与机械搅拌使石墨烯在铝粉中均匀混合，通过放电等离子烧结(SPS)方法制备石墨烯铝导体， 并对其组织，力学及导电性展开实验测试。研究结果表明: 铝基体内存在许多形态均匀的石墨烯片，并未出现团聚。改性后石墨烯大部分都分布于界面处，能够显著抑制铝导体的变形。添加石墨烯后等离子烧结制得的铝导体获得了更高的相对密度和硬度。将石墨烯添加到铝基体中后，力学强度获得了明显提高。铝基体组织中存在大量的片状石墨烯，当试样发生断裂后也继续保持原有片状形态。添加较低石墨烯试样电导率发生明显提升，在加入1%时达到了最高电导率。当加入0.5%石墨烯时，材料的导热性发生了大幅提升，随着石墨烯的含量超过1%石墨烯铝导体热导率变小现象。

关键词:石墨烯 等离子烧结 铝导体 微观组织 导电性能

为适应当前工业技术的不断发展，要求设备能够承受更加苛刻的使用条件，考虑到传统类型的导电材料已经无法充分适应当前防雷接地领域的应用需求，因此需要进一步开发综合性能更优的铝导体以满足该领域的应用要求。石墨烯是一种比比表面积很大的二维结构材料，具备很高力学强度，可以承受130GPa的拉伸作用，同时拥有高导电性，电子迁移率达到 16300cm2 /( V·s) ，导热系数达到了5320W/( m·K) ，可以充分应用需要同时具备高导电与高力学强度的使用环境。采用石墨烯与铝制备得到的石墨烯/铝导体可以获得高强度、高韧性以及优异导电性，目前已被受到大量研究人员的关注。其中，邹高鹏等综合运用电化学表面处理与超声方法相结合的过程制备石墨烯片，之后采用粉末冶金方法制备得到含0.4%石墨烯的铝合金试样，对该试样进行测试发现，这种铝导体表现出了很强的抗蠕变能力，使加载阶段的蠕变度降低至43% 。YAN等通过热等静压方法制备得到含0.5%石墨烯的铝基铝导体，通过测试发现该铝导体相对单纯的铝导体拉伸强度提高了23% ，并且屈服强度也增大了50%左右。目前，石墨烯铝合金的制备方法主要可以分为固态与液态两种方式，其中，采用固态方法无法获得均匀分散的粉体，而采用液态方法则会导致石墨烯与铝合金发生界面反应的情况。此外，关于石墨烯如何对铝合金各项性能产生影响方面的文献报道也很少，对于这方面还需要进一步深入探讨。

考虑到石墨烯与铝合金的物理特性存在较大差异，两者间无法获得良好的界面浸润状态，并且分散性也较差，因此本文先对石墨烯实施表面处理，之后对其进行超声分散和机械搅拌使石墨烯均匀分散到铝粉中，确保预制体内各成分达到均匀分散程度，接着通过放电等离子烧结(SPS) 技术制备得到石墨烯铝导体。最后，对石墨烯铝导体进行了显微组织表征并测试力学性能，对比了不同含量石墨烯的铝导体力学性能差异性。

1 实验 1. 1 实验材料 

本实验采用球形结构的细铝粉作为基体制备原料，铝粉粒径约3μm。之后利用化学镀的方式使石墨烯表面形成一层镍膜，将经过表面活化的石墨烯 加入溶液里再对其超声处理达到均匀混合状态，之后进行水浴反应。对石墨烯进行能谱仪(EDS) 表征发现C含量达到31% 。图1显示了对原始铝粉以及改性后的石墨烯进行扫描电镜(SEM) 表征得到的微观形貌。根据图1(a) 可知，铝粉呈现球形的外形特征，同时形成了良好的分散状态，对图1(b) 进行分析发现，改性后的石墨烯呈现明显的片状外形特征，同时在表层处吸附了大量镍颗粒。

1. 2 实验方法 

本文采用放电等离子烧结(SPS) 方法制备得到石墨烯铝导体，同时对石墨烯的加入量进行了调节，共制备五组试样，控制石墨烯加入量为0% 、0.25% 、0.50% 、0.85% 、2.0% 。对石墨烯进行表面处理后再将其放入乙醇试剂中超声分散15min，接着加入铝粉持续搅拌2h形成均匀分散状态，对浆料过滤后再充分烘干，得到包含石墨烯与铝粉的混合体。采用直径为65mm的石墨模具作为石墨烯铝混合体的压制设备，控制压力介于20 ～50MPa之间，在真空条件下进行540℃放电等离子处理完成烧结过程，制备得到Φ60mm×16mm的石墨烯铝试样。

利用QUANTAFEG250 SEM表征了石墨烯铝导体的显微组织结构并对其断面微观形貌进行了观察。以TWINF20透射电镜(TEM)表征了石墨烯和铝基体的界面结构，设定测试电压为200kV。通过HB-3000布氏硬度计测试了试样的表面硬度，控制载荷为2500N，将保压时间设定为30s。在室温利 用 AG-X100kN 拉伸机对试样进行拉伸力学性能测试。最后测定了试样的电学与热学性能参数。

2 结果与分析 

2. 1 组织分析 

图2是在扫描电镜下观察到的不同石墨烯含量的等离子烧结铝导体表面微观组织形态。结果发现，在黑色区中主要包含石墨烯成分，白色区则是由镍扩散引起结果。石墨烯主要以二维片层形态存在，没有在制备阶段受到破坏。此外还可以发现，铝 基体内存在许多形态均匀的石墨烯片，并未出现团聚的情况。考虑到设定的烧结温度并不高，无法确保组织达到完全熔融的状态，因此组织较疏松，最终在石墨烯铝导体内生成了大量孔隙。

图3给出了不同石墨烯含量下等离子烧结铝导体的TEM分布。根据图3(a) 可知，石墨烯呈现半透明的状态，同时严密包裹着铝基体。与颗粒或碳纳米管增强的铝基组织结构存在显著差异。石墨烯可以在基体中以弥散态的形式存在，这使其可以与铝导体之间形成很大的接触界面，从而获得更高的 结合强度。根据图3(b) 结果可以发现，改性后的石墨烯大部分都分布于界面处，能够显著抑制铝导体的变形，由此大幅提升铝导体的力学强度。这是由于镍和铝经过高温扩散后产生的结合区，并且还可以发现此时还有部分Fe扩散到该区域中，由于镍和铝可以达到良好的相容状态，因此石墨烯在铝基体中获得了更好的分散性。

2. 2 物理和力学性能分析

表1给出了不同石墨烯含量下等离子烧结铝导体的物理性能分布。根据相对密度分布可知，添加石墨烯后等离子烧结制得的铝导体获得了更高的相对密度，但随着石墨烯含量的增加变化不大。根据硬度分布可知，添加石墨烯后制得的铝导体获得了更高的硬度。其中，石墨烯含量为1%的铝导体试 样硬度达到了51HB，与铝导体相比增大了23% 。

表2给出了不同石墨烯含量下等离子烧结铝导体的力学性能分布结果。将石墨烯添加到铝基体中后，力学强度获得了明显提高。当石墨烯的加入量提高至1%时，铝导体达到了211MPa 的拉伸强度和191MPa的屈服强度。进一步提高石墨烯加入量后，力学强度变化不明显。随着石墨烯的添加，延伸率变化不大。

上述研究结果表明，当在铝合金内添加少量石墨烯时便能够实现硬度和拉伸强度的大幅提高，但是当石墨烯的加入量达到某一临界值后则不能实现 材料力学强度的进一步提升。图4是采用扫描电镜观察到不同石墨烯含量的等离子烧结铝导体试样的拉伸断口微观组织图像。可以看到，铝基体组织中存在大量的片状石墨烯，当试样发生断裂后也继续保持原有片状形态，由此可见，经过超声和机械搅拌处理后，石墨烯形成了更均匀的分布状态。

2. 3 导电率和热导率分析

图5显示了当试样内含有不同比例的石墨烯时对应等离子烧结铝导体的电导率参数。通过分析发现，只需添加较低比例的石墨烯后试样的电导率发生了明显提升，并在加入1%时达到了最高的电导率，接着试样的电导率发生了逐渐降低现象。根据前期文献报道可知，石墨烯是在当前条件下室温导电率最高的材料，具有显著改善铝基铝导体电导率的效果。

图6显示了含不同比例石墨烯的等离子烧结铝导体试样进行热导铝测试结果。当加入0.5%石墨烯时，材料的导热性发生了大幅提升; 随着石墨烯的 含量超过1%时，出现了石墨烯铝导体热导率变小现象。产生上述现象的原因是，经过表面增强处理后的体石墨烯表现出了比基体铝更强导热能力，此时只需添加较低比例的石墨烯就可以使石墨烯铝导体发生热导率的快速提高。

3 结论(1) 铝基体内存在许多形态均匀的石墨烯片， 并未出现团聚的情况。石墨烯呈现半透明的状态， 同时严密包裹着铝基体。改性后的石墨烯大部分都 分布于界面处，能够显著抑制铝导体的变形，由此大幅提升铝导体的力学强度。 (2) 添加石墨烯后等离子烧结制得的铝导体获得了更高的相对密度和硬度。将石墨烯添加到铝基体中后，力学强度获得了明显提高。当石墨烯的加入量提高至1%时，铝导体达到了211MPa 的拉伸强度和191MPa 的屈服强度。铝基体组织中存在大量的片状石墨烯，当试样发生断裂后也继续保持原有片状形态。 (3) 添加较低比例的石墨烯后试样的电导率发生了明显提升，在加入1% 时达到了最高的电导率， 接着试样的电导率发生了逐渐降低现象。当加入 0.5%石墨烯时，材料的导热性发生了大幅提升，随着石墨烯的含量超过 1%石墨烯铝导体热导率变小现象。参考文献(略)

信息来源：材料研究那些事儿

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。