石墨烯增强铝基复合材料的研究进展
Material Sciences 材料科学, 2019, 9(8), 803-812
Published Online August 2019 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/9817168610.html,/journal/ms
https://https://www.sodocs.net/doc/9817168610.html,/10.12677/ms.2019.98100
Research Progress on Graphene Reinforced Aluminum-Based Composites
Jiangyu Li1, Shourong Zhao2, Wei Zhang1,2, Yunlai Deng2, Keda Jiang2
1Guangxi Liuzhou Yinhai Aluminum Co., Ltd., Liuzhou Guangxi
2Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha Hunan
Received: July 29th, 2019; accepted: August 13th, 2019; published: August 20th, 2019
Abstract
Graphene possesses excellent mechanical properties, high thermal conductivity and low density. It is recognized as an ideal reinforcing material for metal matrix composites (MMC). In this paper, the preparation methods of graphene reinforced aluminum matrix composites are reviewed, the research status of powder metallurgy, stir casting process and other methods is summarized.
Casting process effects of different preparation methods on the microstructure and properties of graphene reinforced aluminum matrix composites were discussed. Its application prospect is also predicted at last.
Keywords
Grapheme, Aluminum-Based Composites, Manufacturing Methods, Properties
石墨烯增强铝基复合材料的研究进展
李江宇1，赵寿荣2，张伟1,2，邓运来2，姜科达2
1广西柳州银海铝业股份有限公司，广西柳州
2中南大学轻合金研究院，湖南长沙
收稿日期：2019年7月29日；录用日期：2019年8月13日；发布日期：2019年8月20日
摘要
石墨烯具有优异的力学性能、高导热系数和低密度，被公认为金属基复合材料(MMC)的理想增强材料。
本文综述了石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，归纳了粉末冶金法、搅拌鋳造法及其他多种方法的研
李江宇等
究现状。重点讨论了不同制备方法对石墨烯增强铝基复合材料组织和性能的影响。并对石墨烯增强铝基复合材料的工业化应用前景作了展望。
关键词
石墨烯，铝基复合材料，制备，性能
Copyright ? 2019 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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1. 引言
石墨烯是碳材料的一个新成员，自2004年英国曼斯特大学的Geim和Novoselov [1]通过机械剥离法首次制备出具有近乎完美二维结构的石墨烯，石墨烯以其极高的力学性能和独特的物理性能引起了人们的广泛关注[2][3]。完美的石墨烯包括六边形单元，是由SP2杂化成键形成稳定的二维结构，是一种二维纳米材料，仅有一个原子层厚的单层石墨片构成。同时石墨烯也是构成其他维度碳材料的基本单元。
近年来，将碳纳米管(纤维)加入到铝合金中制备碳纳米管(纤维)增强铝基复合材料成为研究的热点[4]
[5][6][7][8]，然而研究发现其增强效果并不理想且一定程度上会损失材料的塑性。而石墨烯相对于其他
增强相而言，即使相对于增强效果较好的碳纳米管而言，石墨烯具有独特的褶皱状结构，使石墨烯在受力的过程中存在褶皱先舒展再断裂的过程，可以有效地承担载荷，从而使其在增强效率方面具有更加明显的优势[9]。另外，将石墨烯作为增强相加入到铝合金基体中不仅可以提高材料的力学性能同时可以提高材料的导电导热性能，降低摩擦磨损系数提高材料的耐磨性。因此，石墨烯增强铝基复合材料具有极好的发展前景。本文综述了石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，重点讨论了不同制备方法对石墨烯增强铝基复合材料组织与性能的影响，同时展望了石墨烯增强铝基复合材料的研究方向与发展趋势。
2. 石墨烯的制备方法
自2004年石墨烯被首次制成之后，目前已经开发出多种生产技术。原理上，孤立的二维晶体只能在较小尺度上通过化学合成，因为随着横向尺寸的增加，声子密度的快速增长迫使二维微晶弯曲为三维结构。理论上为了保持石墨烯的二维结构，这要求所有的方法在制备时都要使得石墨烯附着在某种基体上生长，以此避免二维上的尺寸扩张和生子密度的增加导致二维微晶弯曲为三维结构。下面介绍主流石墨烯的制备方法及特点。
机械剥离法机械剥离法是制备石墨烯的最早方法，这种机械剥离法是通过机械力从石墨基材料上剥离的方法[10]。Geim等[11]最初使用胶带使得石墨烯与石墨晶体分离。实践证明，由机械剥离法生产的石墨烯结构完整性、电学性能最好。这种方法制备的石墨烯厚度不均匀，单层石墨烯的尺寸从纳米到几十微米不等。同时，即使不考虑缺乏可控性的短板，这种方法也很难获得更多的石墨烯。该方法的原理简单，但需要在次表层发现石墨烯薄片，这是一个劳动密集型的过程。
液相剥离法液相剥离法需借助溶剂，对石墨进行分离，这种方法相较于机械剥离法大大提高了石墨烯的制备效率。最简单的方法是将石墨分散在与石墨表面能几乎相同的有机溶剂中。为了克服能量势垒，从晶体中分离出石墨烯层，液相在超声波中超声数百小时以剥离石墨烯。分散后，溶液必须离心，便于分离较厚的薄片。这种方法技术难度较低且获得的石墨烯质量较高。
李江宇等
氧化还原法氧化石墨还原法是目前制备石墨烯的最常用方法之一，最为广泛运用的是Hummers法[12]：将石墨氧化成氧化石墨烯(GO)，打破石墨烯层的sp2杂化结构显著增大了相邻层之间的间隙，引起堆叠片结构间含水量的变化，从而促进了氧化石墨烯在超声波的作用下分离成氧化石墨烯片。
另外，还有一种特殊的氧化–还原法即“微波辅助氧化”，据报道微波能量可一步直接合成石墨烯[13]。这种方法避免了在反应混合物中其他辅助试剂的使用。微波辐射辅助可以通过控制微波时间来合成具有或不具有空穴的石墨烯氧化物。而微波加热可以将反应时间从几天缩短到几秒钟。
化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)是可以大规模生产相对高品质的石墨烯的方法。CVD法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍、铜等具有溶碳量的金属基体上，通过将碳源高温分解，再采用强迫冷却的方式，最终在基体表面形成石墨烯[14]。
外延生长法外延生长法又称为SiC热解法，在超低压高真空下，将单晶SIC在1250℃~1450℃加热脱硅，使6H-SiC升华在单晶SIC (0001)面外延生长形成极薄石墨层。外延生长法可制备出局部显示出良好的六边形晶格特性的石墨烯，但石墨烯的厚度主要取决于加热温度，但在高温下样品容易发生表面重构，存在大量缺陷。但这种方法制备石墨烯的质量不如机械剥离法，产量又低于液相超声法。
3. 石墨烯铝基复合材料的制备方法
在材料，生化，物理等诸多领域中，石墨烯都有着自己的一席之地。由于石墨烯的比重小、优异的机械及物理性能，常常被作为增强相加入到铝合金基体中，以制备更轻、更强、性能更好的新型材料。目前，我国的“中国制造2025”计划对航空、航天、汽车领域提出了新的要求，传统铝合金虽然密度相比较钢铁已经下降很多，却仍不满足新型轻量化的要求，如何在减重的同时增强增韧是面临的新的课题。石墨烯由于其及其优异的电热性质，极佳的机械性能，使其能够在少量添加的情况下便实现对性能的大幅度提升，是理想的增强相。适合对于密度有严格要求的航空航天器件和轻量化要求较高的轨道交通器件。目前制备石墨烯增强铝基复合材料的主要制备方法有粉末冶金法、熔融冶金法、压力浸透法、化学合成法、基于搅拌摩擦加工制备及新兴的3D打印技术制备石墨烯增强铝基复合材料。
3.1. 粉末冶金法
粉末冶金是指通过金属粉末制备金属坯料的方法，通常粉末冶金都会在固定形状模具中烧结等，故其后续机械加工少、工序少且产率高。数据显示绝大多数石墨烯铝基复合材料的研究都采用了粉末冶金路线[15]，首先是由于此种方法可以较好的实现石墨烯在金属基体中的均匀分散，其次是粉末冶金得到的中间产物可以进行热轧或热挤压等二次加工技术，以获得具有更小孔隙率的良好的致密复合材料。
目前，根据混粉工艺的不同，粉末冶金法也主要分为两种类型：干法和湿法。干法是指采用高能球磨机对混合后的粉末试样进行长时间的研磨，使试样充分混合，再经过热压烧结/热挤压致密化制备复合材料试样。
Pebez-Bustamante等[16]通过球磨混粉+ 冷压+ 烧结制备出石墨烯铝基纳米复合材料，并测量不同球磨时间、烧结时间和石墨烯含量下制成的样品的硬度。如图1所示，在球磨5 h、烧结2 h、石墨烯含量为1 wt%的复合材料表现出最高的硬度93 HV，相较于纯Al (39 Hv)提高了138%。吴海峰等[17]采用球磨混粉+ 冷等静压后采用二次加工技术热挤压制备出石墨烯增强6061复合材料。试验结果表明，二次加工热挤压有效的消除了孔隙，提高了复合材料的致密度。石墨烯团聚体随塑性变形的增大逐渐被打散并沿挤压方向呈不连续状分布。冷等静压后的热挤压，可有效促进石墨烯片层在铝合金基体中的均匀分散，同时有效抑制石墨烯纳米片与铝合金基体间生成Al4C3的界面反应。
李江宇 等
Figure 1. Vickers micro-hardness results. (a) 1 h, (b) 3 h and (c) 5 h of milling. Pure and not milled aluminum as reference sample is included [16]
图1. 维氏显微硬度结果(a) 1 h ，(b) 3 h 和(c) 5 h 的铣削。包括纯铝和未碾磨铝作为参考样品[16]
但在球磨过程中存在大量的变形，这些变形会破坏石墨烯的结构和完整性，使得试验效果远不如预期。湿法是指首先采用超声波法在有机溶剂(乙醇、丙酮等)中超声分散石墨烯，再向有机溶剂中加入金属粉末，采用非加热和球磨的物理方法(例如搅拌，超声波等)使石墨烯与金属粉末混合均匀的制备工艺。湿法相对于干法的高能球磨相比，不会破坏石墨烯的结构和完整性，是较为理想的制备方法。
Li 等[18]通过乙醇溶液分散 + 高能球磨 + 真空热压烧结的方法将不同含量的石墨烯纳米片加入铝基体中，研究不同石墨烯含量对石墨烯增强铝基复合材料组织与性能的影响。试验结果表明，随石墨烯含量的增加，复合材料的硬度明显增加。与同种工艺下制备的纯Al 相比，复合材料的屈服强度和抗拉强度有明显提高，延伸率略有下降。但复合材料在石墨烯含量为0.25 wt%时，表现出最佳的拉伸性能，其屈服强度和抗拉强度相比纯Al 而言分别提高了38.27%和56.19%。石墨烯与Al 基体界面结合良好，但两者界面上存在棒状或颗粒状的Al4C3，且随石墨烯含量的增加而增多，Al4C3硬脆相会导致复合材料的力学性能下降。Rashad 等[19]将石墨烯和铝粉在丙酮溶液中超声处理真空干燥后进行冷压烧结随后进行二次加工热挤压进一步提高复合材料的致密性，制备出0.3 wt%的石墨烯铝基复合材料。试验结果表明，与在相同条件下处理的纯铝样品相比，挤出复合材料的硬度增加了11.8%，屈服强度增加了14.7%，极限抗拉强度提高了11.1%。
由于石墨烯本身不亲水也不亲油，所以在很多溶剂中难以均匀分散。而表面含有亲水基的氧化石墨烯却易溶于水或者酒精中，因此，氧化石墨烯成为制备石墨烯增强金属基复合材料的常用原料[20]。
Wu 等[21]首先利用Kmno4/H 2SO 4将石墨氧化为氧化石墨然后在水中用超声波将氧化石墨剥离成
Go
李江宇等
片，然后将不同含量的Go水分散液(0.15 wt%、0.3 wt%、0.6 wt%)与铝粉在乙醇溶液超声搅拌混合均匀同时为了使吸附可行，有助于还原Go的过程，对该浆液加入一定量的去离子水和稀盐酸。随后进行洗涤及冷压+烧结制备出Go/Al复合材料。试验结果说明，还原氧化石墨烯在基体中分布良好。且如图2所示氧化石墨烯的加入明显提高了铝基材料的力学性能，仅添加0.3 wt%氧化石墨烯的复合材料的极限拉伸强度提高了73.9% (从96 MPa提高到167 MPa)，同时延伸率保持在10%以上。
Figure 2.(a) Stress-strain curves of the GO/Al composites with different graphene oxide content; (b) Micro-hardness of GO/Al composites with different graphene oxide content; (c) Relationship of tensile strength and strain with graphene oxide content; (d) strength incremental of various reinforcements in Al matrix [21]
图2. (a) 不同氧化石墨烯含量的Go/Al复合材料的应力-应变曲线；(b) 不同氧化石墨烯含量的Go/Al复合材料的显微硬度；(c) 拉伸强度和延伸率与氧化石墨烯含量的关系；(d) 铝基体中各种增强材料的强度增量[21]
目前粉末冶金法是制备石墨烯增强铝基复合材料的主要方法。但在球磨的过程中由于硬质磨球对粉末进行强烈的撞击、研磨和搅拌，使粉末反复变形、冷焊和破碎，会破坏石墨烯结构的完整性同时复合材料会出现较多的孔隙、裂纹，材料的致密性不良。
其他石墨烯增强铝基复合材料的制备方法还有搅拌铸造法，压力浸透法，原位反应生成法，基于搅拌摩擦加工制备及新兴的3D打印技术制备石墨烯增强铝基复合材料。
3.2. 搅拌铸造法
搅拌铸造法，即通过电机带动搅拌棒，使熔体迅速流动并形成涡流；在此过程中，初生树枝状晶粒被搅拌棒或者涡流击碎，形成新的晶核，有利于组织细化；高速的搅拌也会使得熔体内部温度均匀，成分均匀，加入的增强相同样能得到很好的分散。
Prakash等[22]采用搅拌铸造法制备出石墨烯/7075铝合金，结果表明，石墨烯与铝基体表现出良好的冶金结合，但在搅拌铸造过程中某些区域会发生石墨烯团聚，石墨烯复合材料的断面收缩率很低。石墨烯由于其较大的比表面积、石墨烯的密度小，容易在搅拌铸造石墨烯上浮，在搅拌铸造的过程中如何使
李江宇等
得石墨烯在金属基体中均匀分散是搅拌铸造法石墨烯/铝合金复合材料的一大难题。为解决这一难题有研究者采用预先将石墨烯进行处理后再加入熔融的铝基体中。梁建权等[23]采用球磨混粉后采用半固态电磁搅拌的方式制备出石墨烯纳米片(GNPs)增强铝基复合材料。研究结果表明，GNPs在铝基体中分布均匀，与基体结合良好，GNPS可细化合金晶。如图3所示，随着GNPs含量增加，复合材料的抗拉强度、伸长率及硬度呈现先增后减的趋势。
Figure 3. Stress-strain curves of composite materials [23]
图3. 复合材料的应力应变曲线[23]
3.3. 压力浸透法
压力浸渗法也被称为挤压铸造法。首先将增强体制成预制件，然后浇入基体合金中，施加一定的压力并保持一定时间，使金属液体进入到增强体制成的预制件中。
Shao等[24]通过压力浸透法将氧化石墨烯(Go)和石墨烯纳米片(GNPs)加入到5083铝合金中。结果表明，无论石墨烯的种类如何，均在复合材料中观察到针状的Al4C3相，但GNPs/5083Al复合材料中Al4C3含量较低。Go和GNPs的加入，使复合材料的屈服强度略有提高，其中GNPs/5083Al复合材料的抗拉强度提高了14%而GO/5083Al复合材料的抗拉强度相较于5083合金相比，抗拉强度略有下降。Yu等[25]研究了球磨时间对压力渗透法制备石墨烯纳米片增强Al6063复合材料的影响。试验结果表明，球磨可以有效地将GNSS分散到铝基体中。如图4所示，当球磨时间为3 h，摩擦能为7.2 kJ/g时，由于界面结合和分散性适中(GNSS的均匀性和损伤较小)，0.3 wt%的GNSS才能达到最大拉伸强度(~276 MPa)。此外，延性几乎与铝基体相同。然而，随着球磨时间的延长(4 h)，大量Al4C3脆性相的产生和GNSS直径的减小，即使分散性较好，也会导致拉伸强度下降。
3.4. 原位反应生成法
原位反应生成法又称化学合成法。与外加增强相比，通过原位反应生成法制备石墨烯增强铝基复合材料，拥有较干净界面，而且基体和增强相间的相容性较好，那么界面结合强度也更加良好。Yolshina 等[26]采用原位反应合成法使金属或非金属碳化物作为碳添加剂在空气气氛下与熔融态的铝在碱金属卤化物体下反应生成还原的石墨烯存在于铝熔体中，反应生成的金属和非金属氧化物则存在熔于碱金属卤化物中。结果表明，得到的石墨烯铝基复合材料的硬度、强度、弹性和韧性较原始材料都有所提高。
李江宇 等
Figure 4. Raw engineering stree-strain curves between matrix and composite for different ball milling times: (a) 1 h, (b) 2h, (c) 3 h, (d) 4 h [25]
图4. 不同球磨时间下基体与复合材料的原始工程应变曲线：(a) 1 h ，(b) 2 h ，(c) 3 h ，(d) 4 h [25]
搅拌铸造法由于铝基体与石墨烯的浸润性差，两者密度差异大，导致界面结合较差简单的搅拌方法不能使石墨烯充分分散在基体中，石墨烯容易产生团聚，复合材料中气孔较多，导致复合材料质量不稳定。压力浸透法及原位反应生成法制备工艺复杂，设备要求高，成本高，能耗大，反应物难以控制等问题。因此开发新型节能、环保、高效的石墨烯增强铝基复合材料的制备方法尤为必要。
3.5. 基于搅拌摩擦加工制备石墨烯增强铝基复合材料
搅拌摩擦加工(FSP)是一种基于搅拌摩擦焊接原理的固态复合材料制造方法[27]。FSP 的设计概念十分简单。具有绿色环保、节能高效的特点。将具有特殊设计的搅拌头和轴肩非消耗性旋转工具插入工件中，并沿着所需路径进行移动。通过轴肩与材料之间的摩擦和材料的塑性变形来加热工件，并带动搅拌头周围的软化材料流动。刀具旋转和平移的组合会导致材料从搅拌头的前部移动到后部。因此，加工区内的材料严重变形，使之与填料混合，完全固态混合，实现了局部微观结构改性，形成第二相粒子强化，提高了材料的特定性能。且FSP 已被证明是一种将增强颗粒(例如碳纳米管、SiC 、Al 2O 3)合并到金属基体中，并使复合材料等异质材料的微观结构均匀化的有效方法[4] [6] [28]。石墨烯相较于碳纳米管和SiC 具有更高的强化效率，利用搅拌摩擦技术(FSP)制备石墨烯增强铝基复合材料也成为近年来的研究热点。
刘守法等[29]采用搅拌搅拌摩擦工艺(FSP)将多层石墨烯和无电镀铜石墨烯添加到6061-T651铝合金中，制备出两种石墨烯复合材料，具体的制备示意图如图5所示。研究表明，无电镀铜石墨烯的增强效果更为明显，达到母材硬度的136.1%。无电镀铜石墨烯颗粒搅拌进入铝母材后，铜镀层扩散到SiC 颗粒周围，使颗粒与母材牢固联接。多层石墨烯增强铝基复合材料的硬度达母材的121.3%，且存在增强相分布不均匀的现象。Zhang 等[30]在粉末冶金路线制备的烧结坯上使用了FSP 技术，
以改善第二相的分散和
李江宇等
基体的结合。结果表明，石墨烯纳米片(GNPS)经两道次搅拌后，GNPS分散均匀与基体结合良好，复合材料的抗拉强度和屈服强度分别提高了23.3%和30.5%。
Figure 5. Schematic diagram of sample preparation [29]
图5. 试样制备图[29]
3.6. 3D打印制备石墨烯增强铝基复合材料
金属三维(3D)印刷，如粉末添加剂制造(AM)技术，包括选择性激光烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)，正在进行广泛的探索[31][32]。Hu等[33]将不同质量比的石墨烯与铝粉球磨混粉后首次采用改进选择性激光熔化(SLM)制备了块状石墨烯增强铝基复合材料。试验结果表明，SEM、拉曼、TEM及XRD 等都证实了石墨烯在复合材料中的存在。维氏硬度和纳米压痕的试验结果表明复合材料的硬度得到大幅度提高，与纯Al相比，最佳复合材料的硬度提高了75.3%。所有的试验结果验证了3D打印制备石墨烯增强垃圾复合材料的可行性。
4. 结束语
科研工作者在石墨烯增强铝基复合材料的制备方法方面做了诸多工作，如粉末冶金法、压力浸透法、原位反应生成法等。粉末冶金法可使石墨烯在铝基体中均匀分散，但在球磨的过程中会破坏石墨烯结构，所制备的复合材料易出现孔隙、裂纹等缺陷，影响材料致密性。压力浸透法、原位反应生成法和3D打印等方法所制备的复合材料在致密性方面有优势，但对生产设备要求较高，生产工艺复杂，反应物难以控制。基于FSP制备石墨烯增强铝基复合材料可以较好实现石墨烯与铝基体复合，两者界面结合良好，是一种新型、环保、高效的复合材料的制备方法。以上方法目前主要用于实验室的研究工作，还难以实现工业化生产。搅拌铸造法可获得预定形状的铸锭，且成本较低，具有实现石墨烯增强铝基复合材料工业化制备的潜力，但石墨烯在金属中难以分散。为此，采用粉末冶金、FSP等方法首先制备出石墨烯/Al 中间合金，再采用搅拌铸造技术制备大规格复合材料，有可能成为工业制备石墨烯增强铝基复合材料的一种途径。
基金项目
柳州市科技计划项目(2017BF20201)。
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神奇的石墨烯——石墨烯研究进展
神奇的石墨烯 ——石墨烯的研究进展 石墨烯简介 石墨烯（Graphene），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。 石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1]，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；导热系数高达5300 W/m?K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm2/V?s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6 Ω?cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)，也可称为“单层石墨”。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42?。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。 石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路. 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。 既然石墨烯这么的神奇，有这么多的特性，那它的制备会不会特别难呢？ 事实表明现在大规模的制造石墨烯还比较困难，但小规模的制造用于科研还是比较容易
多孔石墨烯材料的研究进展
多孔石墨烯材料的研究进展 摘要：多孔石墨烯材料同时结合了石墨烯和多孔材料的优点，具有独特的二维结构及优异的理化性质，是一种具备巨大应用潜力的新型纳米碳质材料。然而单一的石墨烯材料很难充分满足各个领域的应用需求，且石墨烯片层容易堆叠和团聚，制约了其实际应用的发展。通过掺杂、改性、组装和复合等手段制备石墨烯衍生物及石墨烯纳米复合物等石墨烯基材料可以丰富并优化石墨烯的性质，拓展并提升石墨烯的性能，对于促进石墨烯的实际应用具有重大意义。作为一种新型石墨烯衍生物，多孔石墨烯以其二维片状结构、超高比表面积、开放的能带间隙、丰富的活性位点等特性吸引了研究者的很大关注。 关键词：石墨烯；杂化；石墨烯衍生物 引言 如果以化学家的视角将人类和世界写成一本书，碳元素必将会跻身关键词之列：从碳基生命到无机碳素，从史前壁画到太空天梯，从钻木取火到蒸汽革命，再从笔墨纸砚书酒花到柴米油糖酱醋茶，碳的身影无处不在，不可替代。作为世界上最为普遍和奇妙的元素，碳变化多端的魅力归因于其电子轨道杂化方式的多样性及其特殊的成键能力和成键方式。碳原子含有四个价电子，往往以sp，sp2和sp3等杂化形式构成具有不同性质的单质或化合物。以碳单质为例，碳元素存在多种结构、性质迥异的同素异形体。其中sp杂化形式的卡宾碳异常活泼，不易单独稳定存在；sp3杂化的金刚石稳定、超硬、价高，化学修饰较困难；sp2杂化的石墨、石墨烯化学修饰较易且具有独特的电子共轭体系，此外还存在杂化形式介于sp2杂化和sp3杂化之间的富勒烯及包含多种杂化形式碳原子的无定形碳等等。碳家族的众多成员极大丰富了碳质材料的性质，为其在各领域的广泛应用奠定了基础[1]。 1石墨烯及石墨烯基材料 石墨烯即单层或少层石墨薄片，是sp2杂化碳原子按照蜂窝状六元环结构排列而成的二维平面网络结构。2004年，曼彻斯特大学的Novoselov和Geim教授研究组利用机械剥离法成功得到独立存在的单原子层石墨烯，两位物理学家因这一开创性的发现在2010年共同获得诺贝尔物理学奖。然而当我们认真地追根溯源时，会发现石墨烯并非一颗横空出世的新星，围绕石墨烯的讨论已经在科学界
铝基复合材料综述
铝基复合材料综述 XXXXXXXXXXX 摘要铝基复合材料凭借密度小、耐磨、热性能好等优点在航天航空等领域占有优势地位。文中综述了铝基复合材料的种类、铝基复合材料性能、各种铝基复合材料的制备和应用以及发展前景。 关键词铝基复合材料种类性能制备应用 Abstract Al-based alloys have advantages in the field of the aerospace by the advantages of small density , anti-function ,good thermal performance and so on. This article discussed the kinds ,performance ,approach , use and development prospect of Al-based alloys. Key words Al-based alloys kind performance approach use
1.引言 自20世纪80年代金属基复合材料大规模研究与开发以来，铝基复合材料在航空，航天，电子，汽车以及先进武器系统等领域得到迅速发展。铝基复合材料的制备工艺设计高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺，而复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造技术。因此，研究和开发心的制造技术，在提高铝基复合材料性能的同时降低成本，使其得到更广泛的应用，是铝基复合材料能否得到长远发展的关键所在。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。2.铝基复合材料分类 按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。 3.铝基复合材料的基本成分 铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。 4.铝基复合材料特点 在众多金属基复合材料中，铝基复合材料发展最快且成为当前该类材料发展和研究的主流，这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、热处理性好、制备工艺灵活等许多优点。另外，铝和铝合金与许多增强相都有良好的接触性能，如连续状硼、AL2O3\ 、
石墨烯材料的研究进展论文
石墨烯材料的研究进展 摘要：石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构 和新奇的物化性能，在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力，已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展，并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。 关键词：石墨烯；纳米复合材料；制备；应用 1，材料的基本情况 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有６０多年的历史，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的出现颠覆了传统理论，使碳的晶体结构形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高于碳纳米管和金刚石，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯是世界上导电性最好的材料。 常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 2，最热的应用合成 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域． 根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。 石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由
铝基复合材料的研究发展现状与发展前景
铝基复合材料的研究发展现状与发展前景摘要：铝基复合材料具有很高的比强度、比模量和较低的热膨胀系数，兼具结构材料和功能材料的特点。介绍了铝基复合材料的分类、制造工艺、性能及应用等几个方面，最后对铝基复合材料的研究状况及其发展趋势。做了简单的介绍。 关键词：铝基复合材料，制造工艺，性能，应用 Abstract:Aluminum matrix composite was in capacity of structure materials and function materials for its high specific strength and high specific modulus and low coefficient of thermal expansion.The classification of aluminum matrix composite were introduced and the preparation process、properties and application of aluminum matrix composite was expounded,and then the domestic research status and future development trends of the composite were summed up. Key words:aluminum matrix composites，preparation process，properties，application. 1.发展历史 1.1概述 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料通过先进的材料制备技术组合而成的一种多相固体材料。根据基体材料不同，复合材料包括三类:聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)[1]。金属基复合材料在20世纪60年代末才有较快的发展，是复合材料的一个新分支，其以高比强、高比模和耐磨蚀等优异的综合性能，在航空、航天、先进武器系统和汽车等领域有广泛的应用，已成为国内外十分重视发展的先进复合材料。 在金属基复合材料中，铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、可热处理性好、制备工艺灵活、比基体更高的比强度、比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工性和价格低廉的优点，更加引起人们的注意[2]。铝基复合材料具有很大的应用潜力，并且已有部分铝基复合材料成功地进入了商业化生产阶段。 铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。按照增强体的不同，铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性好等一系列优异性能，但价格昂贵，目前主要用于航天领域，作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件；此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等[3]。 然而不管增强物的类型和形状尺寸如何，大多数铝基复台材料具有以优点： ①重量轻、比强度、比刚度高。 ②具有高的剪切强度。 ③热膨胀系数低，热稳定性高，并有良好的导热性和导电性。 ④具有卓越的抗磨耐磨性。 ⑤能耐有机液体，如燃料和溶剂的侵蚀。 ⑥可用常规工艺和设备进行成型和处理。 1.2分类
石墨烯复合材料的研究及其应用
石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
铝基复合材料的发展现状与研究
铝基复合材料的发展现状与研究 摘要：随着现代生产技术的发展，对材料的性能要求越来越高，目前，铝基复合材料由于其优良的性能已经成为现时研究的热点。阐述了铝基复合材料的基本性能及应用情况，总结了近几年关于铝基复合材料的主要研究成果与发展趋势。 关键词：铝基复合材料,材料性能,研究成果,趋势 Development and progress of aluminium matrix composites Tang nong-j Abstract:With the development of modern manufacturing technology, The material performance requirements more and more high,The development of aluminum matrix composite materials was reviewed with their properties. Espectively in accordance with the classes to which they belong. The fundamental property and application field of aluminum matrix composite were briefly introduced. The main research achievements and development were summarized in recent years. Meanwhile, the outlook of its development was put forward. Key words:aluminium matrix composites,material properties,research findings,trend
石墨烯基复合材料的制备及吸波性能研究进展
石墨烯基复合材料的制备及吸波性能研究 进展 摘要随着吉赫兹（GHz）频率范围的电磁波在无线通信领域的广泛应用，诸如电磁干扰、信息泄露等问题亟待解决。此外，军事领域中的电磁隐身技术与导弹的微波制导需要，使得电磁波吸收材料受到持续而广泛的关注。因此，迫切需要发展一种厚度薄、频带宽、强吸收的吸波材料。 石墨烯作为世界上最薄硬度最强的纳米材料，优点很多，例如石墨烯制成的片状材料中，厚度最薄，比表面积较大，具有超过金刚石的强度等，这些优点满足吸波材料的需求。石墨烯基复合材料在满足吸波材料基本要求的基础上又提升了材料吸收波的能力。 本文简单地介绍了吸波材料及石墨烯，综述概况了石墨烯基复合材料的研究现状，包括石墨烯复合材料制备方法、微观形貌以及复合材料的吸波性能，提出了石墨烯基复合吸波材料未来的发展方向。 关键词石墨烯基；吸波材料；纳米材料
Progress in Preparation and absorbing properties of graphene-based composites Abstract With the gigahertz (GHz) frequency range of the electromagnetic waves are widely used in wireless communications, such as electromagnetic interference, information leaks and other problems to be solved. In addition, military stealth technology in the field of electromagnetic and microwave guided missiles require such electromagnetic wave absorbing material is subjected to a sustained and widespread concern. Therefore, an urgent need to develop a thin, wide frequency band, a strong absorption of absorbing materials. Graphene as the strongest of the world's thinnest hardness nanomaterials, has many advantages, such as a sheet material made of graphene, the thinnest, large specific surface area, with more than a diamond of strength, these benefits meet absorbers It needs. Graphene-based composites on the basis of absorbing materials to meet the basic requirements but also enhance the ability of the material to absorb waves. This article briefly describes the absorbing material and graphene, graphene reviewed before the status quo based composite materials research, including graphene composite material preparation, morphology and absorbing properties of composites made of graphene-based composite
石墨烯材料研究进展
石墨烯材料研究进展 化学工程与工艺 0909403068 王月 摘要：石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。2004年石墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加。本文通过对石墨烯的特性、制备和应用现状几方面进行了综述。 关键词：石墨烯制备应用进展 石墨烯是碳 原子紧密堆 积成单层二 维蜂窝状晶 格结构的一 种碳质新材 料，是构筑 零维富勒 烯、一维碳 纳米管、三 维体相石墨等sp2杂化碳（即碳以双键相连或连接其他原子）的基本结构单元，如图1所示。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈〃海姆和康斯坦丁〃诺沃肖洛夫，
利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨 烯晶体，并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性，才引发石墨烯研 究热。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，人们发现，将石墨烯 引入工业化生产的领域已为时不远了[1]。 1石墨烯的特性 石墨烯是零带隙半导体，有着独特的载流子特性，为相对论力学 现象的研 究提供了一条重要 途径；电子在石墨 烯中传输的阻力很 小，在亚微米距离 移动时没有散射，具 有很好的电子传输 性质；石墨烯韧性 好，它们每100nm 距离上承受的最大 压力可达2.9N ［2］，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的 能带结构使空穴和电子相互分离，导致了新电子传导现象的产生,如 量子干涉效应、不规则量子霍尔效应。Novoselov 等观察到石墨烯具 有室温量子霍耳效应，使原有的温度范围扩大了10倍。石墨烯在很 多方面具备超越现有材料的特性，具体如图 2 ［3］所示，日本企业的 一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯”是“神仙创造的材料”。 图2 石墨烯的特点
石墨烯力学性能研究进展
石墨烯力学性能研究进展* 韩同伟‘贺鹏飞2,t骆英‘张小燕“ 江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江212013 2同济大学航空航天与力学学院，上海200092 3江苏大学化学化工学院，江苏镇江212013 摘要石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体，是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料.由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景，石墨烯被认为是具有战略意义的新材料，近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿.本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法，重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展，主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性，石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测，石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用，最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望. 关键词石墨烯，力学性能.分子动力学，缺陷 1引言 石墨烯(graphene)，又称为二维石墨片，是由单层碳原子通过共价键(碳5pz杂化轨道所形成的二键、二键)结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体11-21，如图1所示，于2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)首先发现[fll，是继富勒烯(Cso)和碳纳米管(CNTs)之后的又一种新型低维碳材料，其厚度仅为头发丝直径的20万分之一。约为0.335 nm，是目前发现的最薄的层状材料. 在石墨烯中，每个碳原子通过很强的0键(自然界中最强的化学键)与其他3个碳原子相连接，这些很强的碳一碳键致使石墨烯片层具有极其优异的力学性质和结构刚性.碳原子有4个价电子，每个碳原子都贡献一个未成键的兀电子。这些兀电子与平面成垂直的方向可形成二轨道，二电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性.但这些面外离位的二键与相邻层内的二键的层间相互作用远远小于一个6键，即片层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片.石墨烯的碳基二维晶体是形成sp“杂化碳质材料的基元，它可以包裹起来形成零维的富勒烯(fullerene, Cso)，卷起来形成一维的纳米碳管(carbon nanotube, CNT)，层层堆积形成三维的石墨(graphite)，石墨烯是构建众多碳质材料的基本结构单元[[3J，如图2所示. 由于独特的二维结构以及优异的晶体品质，石墨烯具有十分优异的电学、热学、磁学和力学性能fl-$1，有望在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量存储等领域获得广泛应用.石墨烯是零隙半导体，具有一般低维碳材料所无法比拟的载流子特性，是其备受关注的重要原因之一石墨烯成为凝聚态物理学中独一无二的描述无质量狄拉克一费米子(masslessDirac Fermions)的模型体系，这种现象导致了许多新奇的电学性质因此，石墨烯为相对论量子电动力学现象的研究提供了重要借鉴.研究还表明，石墨烯的热导率和机械强度(5kW}m-1}K-1和1.06 TPa)可与宏观石墨材料相媲美，断裂强度与碳纳米管相当f7-sl.此外，石墨烯为制备集超高导电、导热及机械性能等各种优越性能于一体的新型功能复合材料提供了一种理想的纳米填料[fl。一’‘].因此，石墨烯被誉为新一代战略材料，近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿[2,1“一’51. 2009年12月，Science杂志将石墨烯研究取得新进展”列为2009年十大科技进展之一2010年10月，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁.诺沃肖罗夫因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得诺贝尔物理学奖，由此引发石墨烯新的研究热潮.
石墨烯的研究进展概述
龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/9817168610.html, 石墨烯的研究进展概述 作者：兰耀海 来源：《建材发展导向》2014年第03期 摘要：由于石墨烯具有独特的结构和优越的性能，现己逐渐应用于电子材料、薄膜材 料、储能材料、液晶材料、催化材料等先进的功能材料领域。石墨烯复合材料是石墨烯应用研究中的重要领域，近年来已成为材料研究的热门领域。文章主要对石墨烯的物理化学性质、制备方法、石墨烯复合材料以及应用领域进行简单总结，并对未来石墨烯复合材料的发展做一展望。 关键词：石墨烯；复合材料；研究进展 1 石墨烯的物理化学性质 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直到2004年，英国科学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在。石墨烯具有特殊的单原子层结构和奇特的物理性质：强度达130GPa、热导率约5000J/（m·K·S），禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm2/（V·s），具有极高的透明度（约为97.7%）、表面积的理论计算值为2630m2/g，石墨烯的杨氏模量（1100GPa）和断裂强度（125GPa）与碳纳米管相当，它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列优良性质。 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收大约2.3%的光。石墨烯的物理性能优越可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，这赋予石墨烯良好的导电性。 2 石墨烯的制备方法 自从2004年曼彻斯特大学的研究小组发现了单层及薄层石墨烯以来，石墨烯的制备引起学术界的广泛关注。由于二维晶体结构在有限温度下是极不稳定，而考察石墨烯的基本性质并充分发挥其优异性能需要高质量的单层或薄层石墨烯，这就要求寻找一种石墨烯的制备方法来满足日益增长的研究及应用需求。 目前石墨烯的制备方法主要划分为三类：第一类为化学剥离法，这种方法通过制备氧化石墨作为前躯体，使用化学还原，溶剂热还原，热膨胀还原等手段得到对应的石墨烯。第二类为
金属基复合材料的发展与研究现状_李凤平
收稿日期:2003207221 作者简介:李凤平(1956-),男,副教授,从事产品造型设计。 金属基复合材料的发展与研究现状 李凤平 (辽宁工程技术大学机械学院,辽宁阜新 123000) 摘要: 本文对金属基复合材料的分类、制造方法进行了综述,阐述了国内外研究现状,提出了在重金属基复合材料的研究中存在的问题,探讨了重金属基复合材料的研究方向。 关键词: 金属基复合材料;制造方法;分类;研究现状;研究方向 中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2004)01-0048 近20年来,伴随航空航天工业和宇宙空间技术及民用行业技术的进步,金属基复合材料获得惊人的发展。在航天、机器人、核反应堆等高技术领域,镁基、铝基、钛基等轻质复合材料起到了支撑作用[1],SiC 晶须增强的铝基复合材料薄板将用于先进战斗机的蒙皮和机尾的加强筋,钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机部件,石墨/铝、石墨/镁复合材料具有很高的比刚度和抗热变形性,是卫星和宇宙飞行器用的良好的结构材料。美国航天航空局采用石墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m 的货舱架。此外,金属基复合材料还可以用于光学与精密仪器,美国把金属基复合材料高性能反光镜用于红外探测系统,航天激光系统及超轻量太空望远镜,通过改变SiC 强化颗粒占铝基合金的比例,能使反光镀层的热膨胀系数与复合材料相同,有助于提高跟踪和命中率。 在民用工业中,复合材料的应用领域十分广阔。以碳氮化物或金属间化合物颗粒为强化剂的钢基复合材料,能明显提高强度、韧性、耐磨、耐蚀和切削性能。美国在各类合金钢中用适当工艺加入TiC ,称之为TiC 2铁基复合材料,前苏联称这类复合材料为碳化物钢。这类材料的特点是重量轻、尺寸稳定、硬度高、摩擦系数小。根据不同基钢,可使复合材料具有耐蚀、耐磨、耐热性能,也可做成无磁材料。尤其是工具、模具钢、高温合金、夹具和耐磨件,采用这类复合材料能有效提高寿命和性能,日本和前苏联将用粉末冶金制取得这类材料称为新型硬质合金。用Al 2O 3或SiC 晶须或纤维强化的复合材料,由于耐 高温和高强度,可用于发动机和泵的叶轮,也可加工成模具。如果工程机械用刮板及铲斗和冶金行业用磨损件由普通耐磨钢改为陶瓷复合材料,则可明显 提高材料使用寿命。在汽车制造行业中,20～60% 的零件可以用碳纤维复合材料制造,一般可减重40～80%[1]。氧化铝增强铝合金已成功地制成镶圈,用于活塞环槽及顶部,以代替含镍奥氏体铸铁,不仅耐磨性相当,而且还可以减轻重量,简化工艺和降低成本。另外,发动机钢套、连杆、连销、刹车盘等也在使用金属基复合材料制造,如果能打开市场,将会有较大的产量。其他方面,如运动器材、自行车架、各种型材以及装甲车履带、轻质防弹装甲车等也初步应用复合材料。 1 金属基复合材料的分类 金属基复合材料可分为宏观组合型和微观强化型两大类[2]。宏观组合型指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等);微观强化型指其组分需用显微镜才能分辨的以提高强度为主要目的的材料。根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、铁基及铝合金基复合材料等。按增强相形态的不同可划分为颗粒增强金属复合材料、晶须或短纤维增强金属基复合材料及连续纤维增强金属基复合材料。颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度,基体起着把颗粒组合在一起的作 用,颗粒平均直径在1 μm 以上,强化相的容积比(Vf )可达90%[4]。纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须)及金属细线等增强金属得到轻 而强的材料,纤维直径从3 μm 到150μm (晶须直径小于1 μm ),纵横比(长度/直径)在102以上。2 金属基复合材料的制备方法 金属基复合材料的复合工艺相对比较复杂和困难。这是由于金属熔点较高,需要在高温下操作;同时不少金属对增强体表面润湿性很差,甚至不润湿,加上金属在高温下很活泼,易与多种增强体发生反 FRP/CM 2004.No.1
基于石墨烯吸波材料的研究进展
Material Sciences 材料科学, 2018, 8(3), 222-234 Published Online March 2018 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/9817168610.html,/journal/ms https://https://www.sodocs.net/doc/9817168610.html,/10.12677/ms.2018.83024 Research Progress of Microwave Absorbing Materials Based on Graphene Xingjun Lv, Yingrui Wu, Hang Li, Wei Li School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning Received: Mar. 2nd, 2018; accepted: Mar. 21st, 2018; published: Mar. 28th, 2018 Abstract Graphene, as a new type carbon material, due to its excellent physical and chemical properties, has become a research focus. In this paper, the electromagnetic wave absorbing properties and mechanism of graphene composites are reviewed. The development of graphene based composite absorbing materials is expected. Keywords Graphene, Absorbing Material, Composite 基于石墨烯吸波材料的研究进展 吕兴军，武应瑞，李航，李威 大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 收稿日期：2018年3月2日；录用日期：2018年3月21日；发布日期：2018年3月28日 摘要 石墨烯作为一种新型的碳材料，由于其优良的物理化学性能成为研究的热点。本文综述了石墨烯复合材料的电磁波吸收性能和机理等，并对石墨烯基复合吸波材料的发展做了展望。 关键词 石墨烯，吸波材料，复合材料
昆明理工大学材料学院学生大四上学期专业课论文_颗粒增强铝基复合材料
铝基复合材料的研究发展现状与发展前景——颗粒增强铝基复合材料 课程名称：复合材料 学生：XX 学号：XXXXX 班级：XX 日期：20XX年X月X日
铝基复合材料的研究发展现状与发展前景 ——颗粒增强铝基复合材料 XX （刚理工大学，省市，650093） 摘要：介绍了颗粒增强铝基复合材料的发展历史、制备工艺、性能及应用，以碳化硅颗粒增强铝基复合材料为例指出了颗粒增强铝基复合材料这一行业存在的问题，并对这种材料的未来发展趋势做了预测。 关键词：颗粒增强铝基复合材料；历史；工艺；性能；应用；趋势 0.引言 近年来在金属基复合材料领域, 铝基复合材料(包括纤维增强和颗粒增强)的发展尤为迅速。这不仅因为它具有重量轻、比强度、比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、良好的热稳定性和导热、导电性能, 以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点, 而且因为在世界围有丰富的铝资源, 加之可用常规设备和工艺加工成型和处理, 因而制备和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济, 易于推广和应用,因此, 这种材料在国外受到普遍重视。而其中的颗粒增强铝基复合材料解决了纤维增强铝基复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题, 而且材料各向同性, 克服了制备过程中出现的诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带过大等影响材料性能的许多缺点。所以颗粒增强铝基复合材料已成为当今世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点, 并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。 1.发展历史 金属基复合材料（复合材料）自60年代初期开始研究，现在已经取得了突破性的进展。初期研究的工作主要集中在连续纤维增强复合材料]1[,但由于连续长纤维本身的制造工艺复杂、价格昂贵，再加上纤维的预处理以及纤维增强复合材料制造工艺限制，使连续纤维增强复合材料成本极高，仅限用于要求极高性能的场合。 因此，进入80年代，研究重点转向了成本较低的SiC、Al 2O 3 等颗粒或晶须作为增 强材料的不连续增强复合材料，这种材料具有比刚度、比强度强，耐磨性、抗蠕变性好、热膨胀系数小等特点]2[，其比刚度超过了钢和钛合金，而价格不到钛合金的十分之一]3[，用以取代钢、钛等材料，对减轻产品结构重量，降低成本具有明显的经济效益，尤其是取代航空、航天飞行器中的合金钢、钛合金构件，更具有巨大的潜力。 20世纪70年代末，美国政府开始将复合材料列入武器研究清单，并对其研究成果限制发表。日本通产省在20世纪80年代初期开始实施的“下世纪产业基础技术”规划中，把发展铝基复合材料放在了主要位置，并在财力、物力上向有关院所、高校和公司倾斜。我国从20世纪80年代中期开始经过十几年的努力，在颗粒增强铝基复合材料的组织性能、复合材料界面等方面的研究工作已接近国际先进水平，铝基复合材料已列为国家“863”新型材料研究课题。
石墨烯传感器研究进展
石墨烯传感器的研究进展 摘要 本文论述了石墨烯电化学和生物传感器的研究进展，包括石墨烯的直接电化学基础、石墨烯对生物小分子的电催化活性、石墨烯酶传感器、基于石墨烯薄膜 和石墨烯纳米带的实用气体传感器（可检测Ｏ 2、ＣＯ和ＮＯ 2 ）、石墨烯ＤＮＡ传 感器和石墨烯医药传感器（可用于检测扑热息痛）。 2004年，英国曼彻斯特大学ＡｎｄｒｅＫ．Ｇｅｉｍ等以石墨为原料，通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体的新材料———“石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）”。 石墨烯是碳纳米材料家族的新成员，具有二维层状纳米结构，室温下相当稳定。由于在石墨烯中碳原子呈ｓｐ２杂化，贡献剩余一个ｐ轨道上的电子形成了大π键，π电子可以自由移动，使石墨烯具有优良的导电性、新型的量子霍尔效应以及独特的超导性能。石墨烯对一些酶呈现出优异的电子迁移能力，并且对一些小分子（如H2O2、ＮＡＤＨ）具有良好的催化性能，使其适合做基于酶的生物传感器，即葡萄糖传感器和乙醇生物传感器。在电化学中应用的石墨烯大部分都是由还原石墨烯氧化物得到的，也称为功能化石墨烯片或者化学还原石墨烯氧化物，这种物质通常有较多的结构缺陷和官能团，在电化学应用上具有优势。 碳是电化学分析和电催化领域应用最广的材料。例如，碳纳米管在生物传感器、生物燃料电池和质子交换膜（ＰＥＭ）燃料电池方面有着良好的性能。基于石墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上比碳纳米管更有优势。因此，在电化学领域，石墨烯就有了大展身手的机会。石墨烯在电化学传感器上的应用有以下优点：①体积小，表面积大；②灵敏度高；③响应时间快；④电子传递快； ⑤易于固定蛋白质并保持其活性；⑥减少表面污染的影响。 １石墨烯的电化学基础 为了更好地了解碳材料在电化学领域的应用，有必要研究决定碳电极的几种重要参数的基本电化学行为，即电化学位窗口、电子迁移速率、氧化还原电位等。 ＺｈｏｕＭｉｎｇ等报道称石墨烯在０．１ｍｏｌ／ＬＰＢＳ（ｐＨ为７．０）中具有大约２．５Ｖ的电化学电位窗口，这与石墨、玻碳、甚至掺杂硼的金刚石电极相似，但是，从交流阻抗谱来看，石墨烯对电荷迁移的阻力比石墨和玻碳电极对电荷迁移的阻力小。 Ｔａｎｇ等通过氧化还原电对的循环伏安法研究了石墨烯的电子迁移行为，如具有良好氧化还原峰的３－／４－和３＋／２＋。在循环伏安法中所有阴阳两极的峰值电流都与扫描速率的平方根呈线性关系，表明石墨烯电极的氧化还原过程主要是由扩散控制的。在ＣＶｓ（循环伏安法）中，石墨烯中一个电子迁移的氧化还原电对的峰值电位差（ΔＥｐ）非常低，很接近于５９ｍＶ的理想值，比玻碳电极的小很多；另外，３－／４－的峰值电位差为６１．５～７３ｍＶ