分子材料和器件的开拓者（华南理工大学朱德智副教授）
分子材料和器件的开拓者（华南理工大学朱德智副教授）（1）新型铝合金材料组织与性能研究；主要研究方向：作者简介[朱德智]朱德智，男，1980年生，汉族，湖北公安县人，博士，博士后，副教授。现担任华南理工大学金属材料制备成形与装备研究所副所长，广东省金属新材料制备与成形重点实验室副主任，广东铸造与压铸学会秘书长。自2002年2月进入哈尔滨工业大学武高辉教授课题组学习（联合培养），主要从事金属基复合材料研究，于2009年3月博士毕业，获哈尔滨工业大学材料学专业工学博士学位；2009年5月进入华南理工大学材料科学与工程学科博士后流动站工作，2011年10月博士后出站留校，现在华南理工大学机械与汽车工程学院（国家金属材料近净成形工程技术研究中心）工作，学科方向为材料加工工程。
导读
采用超声分散与机械搅拌相结合的方法分散石墨烯，通过放电等离子烧结制备了石墨烯增强铝基复合材料。系统分析了石墨烯片径大小对复合材料组织与性能的影响。结果表明，镀铜石墨烯表面的铜部分向铝基体中扩散，加强了石墨烯与铝的界面结合，片径较大的石墨烯与铝基体的界面结合更好；两种不同片径的石墨烯对复合材料抗拉强度的增强效果相当，片径较大的石墨烯更有利于实现强度与塑性的平衡；片径较大的石墨烯对复合材料电导率的增强效果更好，两种不同片径的石墨烯对复合材料热导率的增强效果不明显。片径较大的石墨烯对复合材料的综合性能的增强效果更好。
【研究背景】
随着科技的快速发展，传统的金属材料已不能满足设备在复杂和恶劣环境下的需求，开发具有高强度、高延展性及高导电等综合性能优异的新材料受到关注。采用石墨烯作为增强相，在提高材料强度的同时保持良好的塑性，也可以对基体材料的导电性能和导热性能起到一定的改善效果。近年来，大量的研究报道聚焦于石墨烯增强铝基复合材料。目前，许多研究集中在石墨烯的均匀分散以及石墨烯/铝复合材料的制备。研究发现，石墨烯的平面尺寸及分布方向对复合材料的性能有明显的影响，使复合材料的性能具有一定的可设计性。ZHAO L等制备了平均片径为186 nm和603 nm的石墨烯，对石墨烯的平面尺寸对复合材料力学性能的影响进行了研究，发现尺寸较小的石墨烯增强效果较好。ZHAO M等的研究结果则相反。虽然国内外对石墨烯增强铝基复合材料的研究取得了一定进展，但关于石墨烯的片径对复合材料的性能影响研究较少，相关机理有待深入研究。
作者简介
[朱德智]
朱德智，男，1980年生，汉族，湖北公安县人，博士，博士后，副教授。现担任华南理工大学金属材料制备成形与装备研究所副所长，广东省金属新材料制备与成形重点实验室副主任，广东铸造与压铸学会秘书长。自2002年2月进入哈尔滨工业大学武高辉教授课题组学习（联合培养），主要从事金属基复合材料研究，于2009年3月博士毕业，获哈尔滨工业大学材料学专业工学博士学位；2009年5月进入华南理工大学材料科学与工程学科博士后流动站工作，2011年10月博士后出站留校，现在华南理工大学机械与汽车工程学院（国家金属材料近净成形工程技术研究中心）工作，学科方向为材料加工工程。
主要研究方向：
（1）新型铝合金材料组织与性能研究；
（2）复杂铸件的3D打印砂型成形技术研究；
（3）高性能铝基复合材料制备与性能研究（高熵合金颗粒强韧化、石墨烯强韧化等）。
科研项目
1. “空间碎片防护用“三明治”结构复合材料的设计与失效机理研究”
2. “航天器空间碎片防护“三明治”结构复合材料研究”
3. “三维网络陶瓷/铁基高温耐磨复合材料的微观结构与性能研究”
4. ““三明治”结构复合材料在航天器空间碎片防护方面的应用研究”
5. “大型铝基复合材料零部件挤压铸造精确成形技术”
6. Ti3AlC2增韧纳米Al2O3/TiAl3基复合材料及其熔蚀-磨损性能研究
7. “MA SPS”工艺制备纳米孪晶高熵合金及其复合材料的强韧化机理研究
8. “MA-SPS 法制备纳米孪晶CoNiFeAlTi系高熵合金的组织与性能研究
9.耐高压抗浪涌高分段慢断系列贴片保险丝关键技术的研究与产业化，2015/01-2017/12
10.微米/亚微米级高熵合金颗粒增强铝合金材料的关键制备技术与性能
11.全铝厢式运输半挂车制造关键技术开发
12.交通用轻量化铝型材机加工产品绿色设计平台
13.微米/亚微米级高熵合金颗粒增强铝合金材料的关键制备技术及应用
【研究亮点】
《特种铸造及有色合金》杂志青年编委、华南理工大学朱德智副教授发表了题为“镀铜石墨烯片径对复合材料组织与性能的影响”的文章。文章采用平均片径分别为5.93 μm和25.85 μm的两种石墨烯，检测相同含量的石墨烯对复合材料力学性能及物理性能的影响。同时，采用相同工艺制备未添加石墨烯的6061铝合金材料作为对照组，进行了相同的力学性能测试及物理性能测试，分析不同片径的石墨烯对复合材料性能的影响。
【研究方法】
采用平均粒径为2 μm的6061铝合金粉末作为复合材料基体。采用了两种类型的镀铜石墨烯作为增强体。根据原始石墨烯的SEM图片测算，两种石墨烯的平均片径分别为5.93 μm(小片径石墨烯，SGr)和25.85 μm(大片径石墨烯，LGr)，见图1。
图1 两种石墨烯的平均片径分布
镀铜石墨烯是将预处理之后的石墨烯和镀铜溶液混合搅拌，并水浴加热反应一段时间得到。图2为镀铜的小片径和大片径石墨烯(分别简写为Cu-SGr、Cu-LGr)的 SEM，可见改性石墨烯呈半透明褶皱状，表面的白色颗粒为铜。
图2 镀铜石墨烯SEM照片
本试验中石墨烯铝材料采用放电等离子烧结(SPS)工艺制备成形，复合材料中石墨烯质量分数为0.5%。首先将表面镀铜处理后的石墨烯在无水乙醇中超声分散 1 h，然后加入铝粉进行机械搅拌1.5 h，分散均匀之后将浆料过滤、烘干，得到石墨烯均匀分散的石墨烯铝预混粉体。将石墨烯铝预混粉体装进φ40 mm 的石墨模具，在真空环境下，施加 50 MPa的压力，在530 ℃的烧结温度下进行放电等离子烧结，制备出φ40 mm×5 mm 的石墨烯铝材料。
采用Nova Nano SEM430型扫描电镜观察粉体材料和试样中的石墨烯形貌特征及拉伸断口形貌。采用 FEI TECNAL G2 S-TWIN F20 型透射电镜观察石墨烯和铝基体的界面特征，加速电压为200 kV。使用 HB−3000 型布氏硬度计测量试样硬度，压头选用直径为5 mm 的淬火钢球，载荷为2 500 N，保压时间为30 s。室温拉伸性能测试在AG−X 100 kN型万能材料试验机上完成，加载速率为 0.6 mm/min。导电率使用SIGMATEST2.069 型便携式导电率测量仪进行测量，热导率使用NETZSCHLFA−447 型激光导热仪进行测量。
【试验结果】
在超声震荡作用下，石墨烯片层之间的范德华力被破坏，层数减少；在机械搅拌过程中，石墨烯受到铝粉的撞击以及各个方向的剪切力，促使石墨烯在铝粉中分散均匀。混合粉末见图3，石墨烯在铝粉中为半透明褶皱状，分散均匀，层数较少。
图3 石墨烯和铝粉的混合粉末照片
(a) Cu-SGr/6061Al(b)Cu-LGr/6061Al
图4为石墨烯/铝复合材料的SEM图和面扫描能谱图。
图4 石墨烯/铝复合材料的扫描电镜图和面扫描能谱图
图5为镀铜石墨烯/6061Al复合材料的透射电镜图。
图5 镀铜石墨烯/6061Al复合材料的透射电镜照片
(a)(b)(c)(d)(e)(f)Microstructure of composite;(h)Cu-LGr/6061Al; (g)Cu-SGr/6061Al HRTEM of interface
Cu-SGr/6061Al复合材料的抗拉强度为220 MPa，比6061Al基体高23.9%，Cu-LGr/6061Al复合材料的抗拉强度为218 MPa，比6061Al基体高23.2%。与6061Al基体相比，两种片径的石墨烯在材料中的增强效果相近，能有效增强6061Al材料的强度。Cu-SGr/6061Al复合材料的伸长率为9.7%，与基体材料相比，复合材料的伸长率降低了40.9%，Cu-LGr/6061Al复合材料的伸长率为14.3%，下降幅度较小。LGr在提高6061Al材料强度的同时，仍然可以保持较好的塑性，而SGr虽然提高了6061Al材料的强度，但复合材料的伸长率急剧下降。可见片径较大的石墨烯有利于实现复合材料强度与塑性的平衡。
（a） 应力-应变曲线 （b）不同材料的力学性能
图6 6061Al基体和石墨烯/6061Al复合材料的拉伸曲线
由于石墨烯含量较少，复合材料的断口中韧窝分布均匀，两种复合材料的断口均表现出韧性断裂特征。Cu-SGr/6061Al复合材料的韧窝更浅，Cu-LGr/6061Al复合材料的韧窝更深，由此可见，Cu-LGr/6061Al复合材料的塑性比Cu-SGr/6061Al复合材料更好。从两种复合材料的断口中都可以观察到石墨烯，说明石墨烯在复合材料受力过程中均起到了承载作用。
图7 Cu-SGr/6061Al和Cu-LGr/6061Al复合材料的拉伸断口SEM形貌
复合材料受力过程中，应力由基体材料向石墨烯转移，石墨烯发生断裂失效，这是本试验复合材料中石墨烯主要的失效形式。然而两种片径的石墨烯与铝的界面结合面积有差距，在一定范围内，界面层越宽，界面强度越高，有利于载荷的有效转移，可提高石墨烯的增强效率。
采用的不同片径石墨烯作为增强相，其主要增强机理的理论增加值会发生显著的变化。在同等质量分数条件下，石墨烯片径越小，其数量越多，弥散分布更为均匀，Orowan机制引起的增强效应更强。片径更大的石墨烯与铝基体的界面结合面积更大，有利于实现载荷的传递，同时，片径大的石墨烯在受力过程中起到的缓冲作用更好，能有效降低复合材料塑韧性的降低。石墨烯的片径大小对复合材料的力学性能及增强机理会造成一定的改变，对石墨烯增强铝基复合材料的发展具有积极的研究意义。
6061Al基体材料的电导率为43.5%IACS，Cu-SGr/6061Al复合材料的电导率为45.8%IACS，与基体材料相比提高了5.4%，Cu-LGr/6061Al复合材料的电导率为46.6%IACS，提高了7.1%。少量石墨烯的加入能提高材料的电导率，LGr对材料的电导率的改善效果更好。
图8 镀铜石墨烯/6061Al复合材料的电导率
6061Al基体材料的热导率为161.4 W/(m•K)，添加石墨烯可提高复合材料的热导率。Cu-SGr/6061Al复合材料的热导率为163.4 W/(m•K)，比6061Al基体材料高2 W/(m•K)，Cu-LGr/6061Al复合材料的热导率为163.0 W/(m•K)，相对于基体材料提高了1.6 W/(m•K)。
图9 镀铜石墨烯/6061Al复合材料的热导率
【研究结论】
（1）镀铜石墨烯表面的铜颗粒有部分向铝基体中扩散，加强了石墨烯与铝的界面结合。片径较大的石墨烯与铝的结合界面比片径较小的石墨烯更宽，界面结合更好。
（2）不同片径的石墨烯均可改善复合材料的力学性能。Cu-SGr和Cu-LGr均可提高复合材料的强度，但Cu-LGr/6061Al复合材料的伸长率更高，片径较大的石墨烯更有利于实现复合材料强度与塑性的平衡。
（3）不同片径的石墨烯均可改善复合材料的物理性能。Cu-SGr/6061Al和Cu-LGr/6061Al复合材料的电导率分别为45.8%IACS和46.6%IACS，与6061铝基体材料相比分别提高了5.4%和7%。Cu-SGr/6061Al和Cu-LGr/6061Al复合材料的热导率分别为163.4 W/(m•K)和163.0 W/(m•K)。
【文献引用】
朱德智 杨莲 刘一雄 等.镀铜石墨烯片径对铝基复合材料组织与性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2022，42(2):133-138.
ZHU D Z，YANG L， I.U Y X et al.Effect of copper plated graphene sheet diameter on microstructureand properties of aluminum matrixcomposites[J].Special Casting &. Nonferrous Alloys，2022，42(2):133-138.
