石墨烯具有極其優(yōu)異的力學(xué)性能，是理想的復(fù)合材料增強(qiáng)體。以商業(yè)純鋁為基體，石墨烯為增強(qiáng)相，通過超聲破碎儀混合制備石墨烯-Al復(fù)合粉末，通過真空熱壓燒結(jié)制備石墨烯-Al復(fù)合材料，通過掃描電鏡 (SEM)、差熱分析(DSC)、X-射線衍射分析(XRD)、顯微硬度計表征了材料的宏觀形貌、微觀形貌、反應(yīng) 溫度、相組成和顯微硬度等。結(jié)果表明：石墨烯和Al在400℃時便開始發(fā)生反應(yīng)，但在600℃以下時，兩者反應(yīng)速度較慢，在Al熔點(diǎn)以上時，石墨烯和Al反應(yīng)速度明顯增加，石墨烯和Al反應(yīng)生成Al4C3；少量的 Al4C3可以增強(qiáng)石墨烯和Al基體的結(jié)合力，有利于提高材料的力學(xué)性能，但是大量脆性Al4C3生成時，材料的力學(xué)性能下降。
鋁合金因其具有低密度、高比強(qiáng)度和成型性能好等特點(diǎn)，在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但目前研制成熟并投入實(shí)際應(yīng)用的高強(qiáng)鋁合金的屈服強(qiáng)度都在 500 MPa 以內(nèi)，抗拉強(qiáng)度也很難超過 700 MPa ，而同為輕質(zhì)合金的高強(qiáng)鈦合金的抗拉強(qiáng)度卻在 1000 MPa 以上。為了適應(yīng)航空領(lǐng)域的發(fā)展，必須進(jìn)一步提高鋁合金的強(qiáng)度，而采用固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等傳統(tǒng)強(qiáng)化方式進(jìn)一步提高鋁合金性能的空間已經(jīng)非常有限，必須尋找新的鋁合金強(qiáng)化途徑。石墨烯自 2004 年發(fā)現(xiàn)以來，因其優(yōu)良的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性能，被作為添加劑制備石墨烯–樹脂復(fù)合材料、石墨烯–金屬復(fù)合材料，改善樹脂或金屬基體的力學(xué)性能和功能特性，但石墨烯增強(qiáng) Al 基復(fù)合材料仍存在一些問題亟待研究，如石墨烯在 Al 基體中的分散、石墨烯-Al 復(fù)合材料的成型工藝及石墨烯與 Al 基體反應(yīng)，其中石墨烯與 Al 基體反應(yīng)研究對石墨烯-Al 復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理、成型工藝控制具有重要意義。以商業(yè)純鋁為基體，石墨烯為增強(qiáng)相，通過超聲波破碎儀混合制備石墨烯-Al復(fù)合粉末，通過真空熱壓燒結(jié)制備石墨烯-Al復(fù)合材料，研究石墨烯和 Al 基體的反應(yīng)，探究石墨烯增強(qiáng) Al 基復(fù)合材料的微觀機(jī)理。
將石墨烯和純鋁粉超聲波破碎儀超聲 1 h，60℃真空干燥 5 h，制備了石墨烯含量為 1.0 wt.%的石墨烯-Al復(fù)合粉末；將復(fù)合粉末置于真空熱壓燒結(jié)爐中，于 300℃、400 MPa 下熱壓燒結(jié) 2 h，制備出 1.0 wt.% 石墨烯-Al 復(fù)合材料；將復(fù)合材料分別置于 400℃、500℃、600℃、700℃或 800℃下，空氣氣氛下熱處理 1 h，研究不同溫度對石墨烯和鋁界面反應(yīng)的影響；對純 Al 粉采用相同工藝制備了對比試樣。
通過掃描電鏡(JXA-8100)觀察樣品微觀組織，采用 X 射線衍射儀(Rigaku D/Max 2500v/pc)分析樣品中 物相變化，通過同步熱分析儀(A-449F3)研究石墨烯和 Al 基體是否發(fā)生反應(yīng)及開始發(fā)生反應(yīng)的溫度，通過顯微硬度計(UTURE-TECH FM-800)表征材料的顯微硬度變化。
石墨烯和 Al基體在一定溫度下會反應(yīng)生成 Al4C3，為了探究石墨烯和 Al 基體反應(yīng)對材料性能的影響，
對相同條件制備的純 Al 和石墨烯-Al 復(fù)合材料樣品在不同溫度下保溫 1 h 后進(jìn)行顯微硬度測試，樣品在不同溫度保溫后硬度先升高，然后逐漸降低。對比不同溫度下兩者硬度值，可以看到，300℃熱壓燒結(jié)后，純 Al 的硬度高于石墨烯-Al 復(fù)合材料的硬度，在 400℃、500℃和 600℃保溫 1 h 后，石墨烯-Al 復(fù)合材料的硬度高于純 Al 的硬度，并隨溫度的升高，硬度增加百分比逐漸增大，700℃保溫 1 h 后，兩者硬度相當(dāng)。而800℃保溫 1 h 后，純 Al 的硬度又高于石墨烯-Al 復(fù)合材料的硬度。
出現(xiàn)這一系列硬度值變化的可能原因是：1) 300℃熱壓燒結(jié)時，由于燒結(jié)溫度較低，粉體致密性較差，
石墨烯的加入進(jìn)一步降低了粉體的致密性，且石墨烯和 Al 粉間直接堆疊，結(jié)合力較差，導(dǎo)致 300℃熱壓 燒結(jié)后石墨烯-Al 復(fù)合材料的硬度低于熱壓燒結(jié)后純 Al 硬度。2) 400℃保溫 1 h 后，部分石墨烯和 Al 發(fā) 生反應(yīng)生成 Al4C3，增加了石墨烯和 Al 基體間的結(jié)合力，石墨烯-Al 復(fù)合材料硬度值升高，并超過了 400℃ 保溫后純 Al 的硬度。3) 隨著保溫溫度升高，純 Al 樣品內(nèi)部應(yīng)力消除，并伴隨再結(jié)晶過程使得材料軟化，表現(xiàn)出隨著溫度升高，材料硬度逐漸降低。在 400℃~600℃時，石墨烯-Al 復(fù)合材料也遵循相同的過程， 不過隨著溫度升高，Al4C3的生成量略有增加，表現(xiàn)出硬度降低速度較純 Al 樣品慢。4) 當(dāng)樣品在 700℃ 和 800℃保溫 1 h 后，由于 Al4C3的大量生成，削弱了石墨烯和 Al 的界面結(jié)合，使得石墨烯-Al 復(fù)合材料
的硬度快速下降，800℃保溫后，石墨烯-Al 復(fù)合材料的硬度甚至低于純 Al 樣品硬度。
石墨烯和 Al 基體在 400℃時開始發(fā)生反應(yīng)，生成 Al4C3；600℃以下時，反應(yīng)速度較慢；加熱到 Al 熔點(diǎn)以上時，石墨烯和 Al 反應(yīng)速度明顯增加。
石墨烯-Al 復(fù)合材料在 400℃熱處理后，相對于熱壓燒結(jié)后材料硬度明顯增加，因?yàn)樯倭?span> Al4C3
