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石墨烯(graphene)是一种具有优良力学及热学性能的碳纳米材料,将其代替陶瓷增强相(碳化硅、氧化铝等)加入到铝基体中,微量添加即可获得显著增强的力学性能,同时也可能提高基体的热学性能。相对于陶瓷添加相,石墨烯的密度极低,能够进一步减小复合材料的密度。更重要的,石墨烯可以解决陶瓷相硬、脆的本征属性导致的铝合金难以加工的问题。基于当前对石墨烯铝基复合材料研究的实际情况,本文选择了先使用原位还原法来使石墨烯包覆于铝粉体颗粒的表面,再通过粉末冶金工艺成型,烧结得到的复合材料块体力学与热学性能均优于纯铝块体。论文中对使用的氧化石墨烯(GO)溶液浓度进行了调整,发现在0.2 mg/ml时溶液的分散性与稳定性均比较好。pH为4.0的弱酸条件可以除去铝粉表面的薄氧化层,又不会对铝粉产生严重腐蚀。氧化层的去除使铝与GO水溶液充分接触,确保原位还原反应顺利进行,使还原后的还原氧化石墨烯(rGO)层片紧密包覆在铝粉体表面。在干燥工艺中发现,干燥前使用无水乙醇对反应后的复合粉体进行洗涤,可以有效抑制铝粉体在长达8小时的干燥过程中发生水解反应,生成副产物氢氧化铝,影响复合块体的纯度及最终的材料性能。论文选取未洗涤直接干燥的粉体做了对比实验,微米级铝粉的高表面能导致水解反应进行剧烈,表面生成大量氢氧化铝使粉体发生明显增重。经参数优化,复合材料块体烧结温度为600℃,保温时长为5小时,烧结过程中氩气作为保护气氛。最终得到了纯铝以及rGO质量分数分别为0.1%,0.2%,和0.3%的尺寸为φ40×5 mm的饼状复合材料块体。论文对包覆粉体以及复合材料块体进行了形貌与结构表征。扫描电镜(SEM)与透射电镜(TEM)下可观察到rGO紧密地包覆于铝颗粒表面,并可观察到还原后石墨烯有明显的晶格结构;拉曼(Raman)光谱分析可以看到GO经包覆过程后ID/IG值由0.84变为1.13,结构发生了明显还原;X射线衍射仪(XRD)的分析结果表明,该法烧结制备出的复合材料块体中未生成明显的氧化物与碳化物;阿基米德排无水乙醇法测得块体密度分别为1.132g/cm3,1.128 g/cm3,1.125 g/cm3和1.132 g/cm3,这表明在该范围内,提高石墨烯的加入量,复合材料的密度逐渐减小。论文对复合材料块体的力学、热学性能进行了测试。实验发现,纯铝以及rGO添加量分别为0.1%,0.2%,和0.3%的块体材料压缩强度分别为207 MPa,232 MPa,249 MPa和 260 MPa;显微硬度分别为43.1±2.5 HV,49.2±2.5HV,50.7±1.2HV和52.2±1.9 HV;20℃ 下的导热系数分别为 143 W/(m*K),154 W/(m*K),159 W/(m*K)和 165 W/(m*K);20℃ 下的比热容分别为 0.905 J/(g*K),0.921 J/(g*K),0.928 J/(g*K)和 0.987 J/(g*K);针对纯铝和rGO质量分数为0.3%的复合块体的DSC测试结果也证明了在熔点温度之下后者的比热容始终高于前者。除铝粉体外,论文还选取了铜和钛粉体进行原位还原包覆法的辅助验证,辅助实验证明了该法的适用性。需要注意的是,在铜的包覆实验中,要在GO水溶液中加入乙醇以改善铜粉与溶液的润湿性,使铜粉得以与溶液充分接触发生反应;在钛的包覆实验中,要先用氢氟酸与硝酸的混合酸液对钛粉进行酸洗去除表面氧化层,再进行包覆反应。鉴于酸液使用上的不安全性,对钛粉这类氧化层较难除去的金属粉,本实验还探索了利用电荷吸附的原理将GO包覆于粉体表面的方法,也收到了较好的效果。