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加入石墨烯可成就“王牌”铝合金,但是巨难的混粉分散问题如何解决?


来源:中国粉体网   平安

[导读]  石墨烯在铝基体中的有效分散成为制备石墨烯/铝复合材料所要解决的首要难题。

中国粉体网讯  据文汇报的报道,近日,上海市石墨烯产业技术功能型平台推出的首个拳头产品烯碳铝合金锭坯成功下线,它解决了传统铝合金刚度不强的问题,有助于我国航空、高铁、汽车等高端制造领域步入轻量化时代。


(图片来源:网络)

近些年,随着石墨烯及类石墨烯材料制备和分散技术的飞速发展,研究者们尝试将石墨烯加入铝基体中,并做出了一些开创性的工作,研究发现石墨烯是一种优异的铝基复合材料纳米增强相。

据粉体网小编了解,与碳纤维和碳纳米管相比,石墨烯材料具有更高的强度、更高的模量、更大的比表面积和更好的延伸性能,少量石墨烯的加入即可显著提高铝基体的抗拉强度和屈服强度等力学性能。优异的力学性能使得石墨烯增强铝基纳米复合材料在航空、航天、电子和汽车工业等领域展现出广阔的应用前景。

据悉,目前石墨烯增强铝基纳米复合材料的主要科学和工程问题包括:

(1)如何实现石墨烯在铝合金基体中的有效分散;

(2)如何获得石墨烯纳米填料与铝基材料之间的良好界面结合;

(3)如何确保在冶金、变形和热处理工艺温度下保持石墨烯填料的结构不被破坏。

由于石墨烯材料有非常大的比表面积,石墨烯纳米填料趋向于彼此重叠以降低它们的表面能,从而导致在纳米复合材料制备和应用过程中易于产生团聚,并对复合材料的力学性能产生不利影响。此外,铝合金基体和石墨烯纳米填料之间的密度差距较大,这为石墨烯纳米片在铝合金基体中的均匀分散带来了巨大困难。

石墨烯在铝基体中的有效分散成为制备石墨烯/铝复合材料所要解决的首要难题。将石墨烯与铝粉进行简单的机械混合并不能使石墨烯与铝粉完全分散均匀,为了减少石墨烯团聚的现象,粉体网小编发现文献报道中提出了多种混粉方法,包括超声分散、湿法机械搅拌混合、球磨、行星式高能球磨、表面改性及静电吸附等。

湿法机械搅拌混合

最简单的混粉方法就是直接将石墨烯与基体铝粉混合到一起,但是石墨烯片层之间的范德华力和静电作用使得石墨烯难以分散,混粉效果不好。为了改善石墨烯的分散性,使聚集的石墨烯分散开来,一些研究者提出了将石墨烯与铝粉在有机溶剂中进行机械搅拌混合的方法。为了进一步提高石墨烯的分散均匀性,在与铝粉混合之前先对石墨烯进行分散处理。石墨烯的分散处理溶剂常选用乙醇、丙酮或异丙酮等溶液。

球磨法

球磨法是一种重要的石墨烯/铝复合材料混粉方法。美国Bastwros等将6061Al粉与自制的石墨烯混合之后,放入氧化锆罐中直接进行机械干球磨,得到分散性较好的石墨烯/铝复合粉末,但是,在干球磨过程中,石墨烯的结构往往会遭到破坏,从而使石墨烯对复合材料性能的提高作用降低。

为了防止或减少石墨烯结构的破坏,并提高出粉率,常采用液体溶液介质作为分散剂,并使复合粉末在分散剂作用下进行湿球磨。即在球磨过程中,球磨罐中常加入有机过程控制剂如甲醇、乙醇、硬脂酸、丙酮或四氯化碳等,或低温溶剂液氮等,与复合粉末一同进行球磨。与干球磨相比,湿球磨工艺下复合粉末的分散性更好。另外,为了防止复合粉末在球磨过程中氧化,通常还会采用氩气保护。据粉体网小编了解,高能球磨工艺虽然能够简单和有效地分散石墨烯纳米片,但同时也容易引入杂质和结构缺陷。

表面改性及电荷吸引法

通过对铝颗粒进行表面改性,使铝颗粒与石墨烯之间具有更好的兼容性。高亲水性聚合物(如聚乙烯醇(PVA))是典型的表面改性剂。经过改性的铝颗粒表面可以通过氢氧键被石墨烯纳米片有效包裹。最终,表面改性剂会在后续热工艺过程中通过热解反应除去。因石墨烯纳米片的吸附能力得到显著改善,通过吸附能够有效地实现其对铝颗粒的包覆,从而获得石墨烯纳米片的均匀分散。然而,如果表面改性剂不能完全热解,其也将作为杂质残留在材料内部成为杂质相。

为了简化吸附工艺和避免不必要的污染,出现了一种基于石墨烯和铝颗粒之间静电相互作用的特定静电吸附方法。在该方法中,首先将氧化石墨烯纳米片分散到水溶液中,然后混入铝颗粒并持续搅拌一定时间。由于羧基和羟基等离子化基团的存在,氧化石墨烯在水溶液中带负电荷,而铝颗粒由于其表面的电离而带正电荷。氧化石墨烯和铝颗粒之间的静电吸引力对于它们之间的均匀混合至关重要。

综合以上各种方法来看,尽管球磨工艺容易引入杂质以及破坏石墨烯纳米片的结构,但仍被证明是目前将石墨烯纳米填料均匀地分散到铝基体中较有效和经济的手段。石墨烯增强铝基纳米复合材料的发展还处于初级阶段,其工艺参数,微观结构,界面反应和键合状态等尚未完全明了,这为后续进一步提高其力学性能留下很大的空间。

我们在开篇所提及的烯碳铝合金,据媒体报道,是由上海交通大学材料科学与工程学院张荻教授借鉴贝壳“珍珠母”的叠层结构,最终开发出“微纳叠片粉末冶金”这一独创的仿生复合技术:先将铝制成微纳片状粉末,再与碳纳米管和石墨烯(从世界上各种石墨烯粉末中挑选出最适宜添加在铝合金中的一种)在微观尺度下均匀复合成为“砖”,然后通过工艺控制,像垒墙一样形成“砖砌式”叠层结构的烯碳铝基复合材料。

参考资料:

燕绍九等.石墨烯增强铝基纳米复合材料研究进展

鲁宁宁等.石墨烯增强铝基复合材料制备技术研究进展

文汇报:加入石墨烯成就“王牌”铝合金,国产大飞机、高铁提速、汽车轻量化就靠它了

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