摘要
具有优异力学、热电性能的石墨烯是金属基复合材料的理想增强材料，在高强度的轻量化结构件以及高导热低膨胀系数的电子封装材料领域受到广泛重视。本文以鳞片石墨和纯铝为原料，通过旋转摩擦挤压方法制备石墨烯/Al复合材料，研究了工艺过程与鳞片石墨加入量对复合材料制备的影响，考察了复合材料的组织结构与性能并探索了鳞片石墨加入对复合材料性能的影响机理，得到以下结论： (1)在本实验条件下，优化的旋转摩擦挤压工艺过程参数为：搅拌头旋转速度345rpm，双边挤压速度0.28mm/min，挤压比13.44，预热温度150℃，鳞片石墨加入量在2.4wt.%以内均能获得较好的宏观成形，材料致密度超过98.28%，增强相在其中也能较均匀地分散。 (2)拉曼光谱和TEM观察表明，鳞片石墨被有效剥离为石墨烯，形成石墨烯/Al复合材料；EBSD结果表明，随鳞片石墨加入量的提高复合材料晶粒得到明显细化，相应地由小角度晶界向大角度晶界迁移的迹象愈明显，当鳞片石墨加入1.86wt.%时，平均晶粒尺寸为1.35μm，较基体降低了约88%；对复合材料的界面观察发现，复合材料中呈现为扩散与反应混合的结合界面。 (3)力学性能测试表明，随鳞片石墨加入量的提高，复合材料力学强度呈增加的趋势，当鳞片石墨加入量1.86wt.%时，复合材料的抗拉强度、屈服强度分别为163.2MPa和76.4MPa，相比同等条件下加工的基体提高了约71.4%和91%，其主要的增强机制为细晶强化和载荷传递，一方面，石墨烯的增加使复合材料晶粒进一步细化，另一方面通过扩散过渡层与Al4C3的桥连作用能有效提高石墨烯与基体的界面结合载荷传递效应。 (4)传导性能结果表明，在鳞片石墨加入量较低(≤0.4wt.%)时，复合材料的电、热导性能要优于同等条件加工的基体，且由于大变形挤压时部分石墨烯沿挤压方向呈平行排列，复合材料传导性能有各向异性，沿挤压方向性能优于垂直方向；复合材料的热稳定性则随鳞片石墨加入量的提高而提高，鳞片石墨加入量1.86wt.%的复合材料热膨胀系数为2.292×10-5K-1(40℃-400℃区间均值)，较同等条件加工的基体降低了9%。
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