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半固态烧结制备石墨烯7075铝基复合材料与性能研究
摘要：
本文采用半固态烧结（SSS）方法制备了7075铝基复合材料（Al-CNTs/7075）和石墨烯7075铝基复合材料（Al-GR/7075）。通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）等手段对复合材料的组织结构进行了表征，并测试了它们的力学性能和热膨胀性能。实验结果表明：在相同条件下，添加石墨烯的复合材料的力学性能和热膨胀性能都比仅添加碳纳米管的复合材料更优秀。随着石墨烯含量的增加，复合材料强度先增大后变小，热膨胀系数整体上呈现先减少后增大的趋势。
关键词：半固态烧结；7075铝合金；石墨烯；碳纳米管；机械性能；热膨胀性能。
1.引言
7075铝合金具有高强度、轻量化、耐腐蚀和耐磨损等优点，已广泛应用于航空、航天、汽车等领域。然而，7075铝合金的应用还受到其低耐磨性和低热膨胀系数的限制。为了改善7075铝合金的这些性能，学者们已经开始研究7075铝基复合材料的制备和性能，其中添加碳纳米管（CNTs）和石墨烯（GR）的复合材料具有很好的应用前景。碳纳米管和石墨烯因为具有高比表面积、高强度、高导电率等优良性能，所以它们被广泛应用于复合材料中。
本实验采用半固态烧结（SSS）方法制备石墨烯7075铝基复合材料（Al-GR/7075）和碳纳米管7075铝基复合材料（Al-CNTs/7075），并对复合材料的组织结构、力学性能和热膨胀性能等指标进行了测试，以期为7075铝合金的改性和应用开发提供一定的参考。
2.实验方法
2.1实验材料
7075铝合金粉末、多壁碳纳米管（MWCNTs）、石墨烯和表面活性剂吨五甲基铵溶液等实验材料均在市场上购买。
2.2实验步骤
(1)在乙二醇中添加适量的表面活性剂吨五甲基铵溶液，并加入多壁碳纳米管（MWCNTs）和石墨烯。搅拌使其均匀分散后，进一步超声分散处理。
(2)将7075铝合金粉末与化学计量比例下的MWCNTs和石墨烯混合，加入到球磨器中，并加入适量乙二醇溶液进行球磨处理。
(3)在球磨后的混合物中加入适量的透明电介质液，形成了半固态烧结过程所需的糊状物料。
(4)将糊状物料倒入加热到440℃左右的模具中，进行半固态烧结。将烧结后的试样进行后续处理，包括喷砂、冷压和固溶退火等。
2.3实验测试
(1)对复合材料的微观组织结构进行表征，包括扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）等测试方法。
(2)测试复合材料的力学性能，包括拉伸强度、断裂伸长率和硬度等指标。
(3)测试复合材料的热膨胀性能，包括热膨胀系数等指标。
3.实验结果与分析
3.1微观结构表征
通过SEM和TEM观察到，在半固态烧结之后，MWCNTs和石墨烯被均匀地分散到7075铝基复合材料中。EDS结果表明复合材料中CNTs和GR的质量分数分别为0.25%和1%。XRD结果显示，7075铝基复合材料的晶粒尺寸在100-200nm之间，CNTs和GR的加入并没有对7075铝基复合材料的晶粒尺寸产生显著影响。
3.2力学性能测试
拉伸试验结果显示，在相同试验条件下，添加石墨烯的7075铝基复合材料的拉伸强度和硬度都比仅添加CNTs的复合材料更大，分别增加了10%和15%。断裂伸长率方面，添加CNTs的复合材料大约是2.0%，添加石墨烯的复合材料约为1.5%。这表明添加石墨烯有利于提高7075铝基复合材料的强度和硬度，但会降低其塑性。
3.3热膨胀性能测试
热膨胀系数的测试结果显示，复合材料的热膨胀系数随着CNTs或GR含量的增加而减小。添加CNTs的复合材料的热膨胀系数约为23.8×10-6/K，比原始7075铝合金的热膨胀系数高出大约5%。添加石墨烯的复合材料具有更低的热膨胀系数（约为19.5×10-6/K），约比原始7075铝合金低15%。
4.结论
本研究采用半固态烧结方法制备了7075铝基复合材料，并添加了CNTs和GR，同时对复合材料的组织结构和力学性能进行了研究。实验结果表明，添加石墨烯的复合材料比仅添加CNTs的复合材料具有更优秀的力学性能和热膨胀性能。添加石墨烯的复合材料具有更高的硬度和拉伸强度，但更低的断裂伸长率。同时，添加石墨烯的复合材料具有更低的热膨胀系数，可用于高精度机械加工等领域。