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作者简介:

李炯利,男,博士,高级工程师。主要研究方向:石墨烯金属基复合材料研制及应用研究。E-mail:ljlhpu123@163.com;

张海平,男,硕士,工程师。主要研究方向:石墨烯铝基复合材料研制及应用研究。E-mail:zhanghp91@163.com;

王旭东,男,博士,研究员。主要研究方向:石墨烯复合材料研制及工程化应用研究。E-mail:netfacn@163.com;

崔玺康,男,硕士,高级工程师。主要研究方向:航空技术与市场分析。E-mail:cuixikang@comac.cc;

孙庆泽,男,硕士,工程师。主要研究方向:石墨烯铝基复合材料研制及应用研究。E-mail:qzsun2019@163.com

通讯作者:

王旭东,E-mail:netfacn@163.com

中图分类号:TG146

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.03.014

参考文献 1
余强.性能不断提升的飞机电线电缆[J].国际航空,2015,(1):72-73.
参考文献 2
NOVOSELOV K S,GEIM A K,MOROZOV S V,et al.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science,2004,306(5696):666-669.
参考文献 3
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参考文献 4
黄崇祺.电工用铝和铝合金在电缆工业中的应用与前景[J].电线电缆,2013,(2):16-19.
参考文献 5
李绪忠,李素琴.舰载飞机电线电缆选用技术分析[J].航空工程进展,2015,6(4):507-511.
参考文献 6
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参考文献 7
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参考文献 8
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参考文献 9
CAO K,FENG S,HAN Y,et al.Elastic straining of free-standing monolayer graphene[J].Nature Communications,2020,11:284.
参考文献 10
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参考文献 11
BARTOLUCCI S F,PARAS J,RAFIEE M A,et al.Graphene-aluminum nanocomposites[J].Materials Science and Engineering A,2011,528(27):7933-7937.
参考文献 12
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参考文献 13
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参考文献 14
LI Z,GUO Q,LI Z,et al.enhanced mechanical properties of graphene(reduced graphene oxide)/aluminum composites with a bioinspired nanolaminated structure[J].Nano Letters,2015,15(12):8077-8083.
参考文献 15
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参考文献 16
LIU X H,LI J J,SHA J W,et al.In-situ synthesis of graphene nanosheets coated copper for preparing reinforced aluminum matrix composites[J].Materials Science and Engineering A,2017,709:65-71.
参考文献 17
LI M,GAO H,LIANG J,et al.Microstructure evolution and properties of graphene nanoplatelets reinforced aluminum matrix composites[J].Materials Characterization,2018,140:172-178.
参考文献 18
ZHOU W W,MIKULOVA P,FAN Y,et al.Interfacial reaction induced efficient load transfer in few-layer graphene reinforced Al matrix composites for high-performance conductor[J].Composites Part B:Engineering,2018,167:93-99.
参考文献 19
GUO Y M,YI D Q,LIU H Q,et al.Mechanical properties and conductivity of graphene/Al-8030 composites with directional distribution of graphene[J].Journal of Materials Science,2020,55(8):3314-3328.
参考文献 20
CAO M,LUO Y Z,XIE Y Q,et al.The influence of interface structure on the electrical conductivity of graphene embedded in aluminum matrix[J].Advanced Materials Interfaces,2019,6(13).
目录contents

    摘要

    飞机电气化、信息化程度的不断提高,对航空电缆提出了更高的要求,常规铝导体的性能不能满足新型航空电缆对轻质、高强、高导电性能的需求。石墨烯具备极高的强度和导电率,是理想的高强高导改性材料。首先对比了现有电工铝和电工铜在力学性能和导电率上的差距;随后讨论了石墨烯优异的力学和电学性能;最后综述了石墨烯在改善铝基体力学性能和电学性能方面的研究进展。结果表明,采用粉末冶金、连铸连轧等制备工艺,石墨烯能有效提高铝基体的拉伸强度,同时有望保持延伸率不降低,但也会使导电率降低0.5%~4%;只有实现石墨烯在铝基体中的连续分布,才能充分发挥出石墨烯高导电率的优势,提高铝基体的电学性能。采用粉末冶金和连铸连轧等工艺手段,牺牲少量导电率,通过石墨烯大幅提高铝导体的力学性能,从而满足航空电缆的相关需求,将具备广阔的应用前景。

    Abstract

    With the continuous improvement of aircraft electrification and informatization, higher requirements are put forward for aviation cables. The performance of conventional aluminum conductor can not meet the requirements of new aviation cables for light weight, high strength and high conductivity. Graphene is an ideal modified material with high strength and high conductivity. Firstly, this article compares the gap between the existing electrical aluminum and electrical copper in mechanical properties and electrical conductivity; then the excellent mechanical and electrical properties of graphene were discussed; finally, the research progress of graphene in improving the mechanical and electrical properties of the aluminum matrix was reviewed. The results show that using powder metallurgy, continuous casting and rolling, graphene can greatly improve the mechanical properties of the aluminum matrix, and keep the elongation, but also reduce the conductivity by 0.5% to 4%; only the continuous graphene in the aluminum matrix can take full advantages of its high conductivity and improve the electrical properties of the aluminum matrix. At the present stage, by using powder metallurgy or continuous casting and rolling preparation technology, sacrificing a small amount of electrical conductivity, the mechanical properties of aluminum conductor are greatly improved, so as to meet the relevant needs of aviation cables, which will have a broad application prospect.

  • 0 引言

  • 航空电缆是飞机电气互联系统的重要组成部件,在电器、仪表、雷达等系统中被广泛使用。现代民航客机的电缆长度已经达到113km~483km[1],且随着飞机电气化、信息化、智能化程度的不断提高,飞机对电线电缆的要求也日益增加。铜、铝等常规导体已难以满足未来航空电缆对材料轻质、高强、高导电性能的需求。

  • 石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化组成的六边形呈蜂巢晶格的单原子厚度的薄膜,具有表面积大、强度高、导电导热性能好等特点[2]。自2004年发现以来,国内外学者对石墨烯及其复合材料开展了系列化的研究[3]。在金属基复合材料领域,石墨烯也表现出了优良的强化效果,石墨烯能有效提高传统金属材料强度,同时保持良好的导电、导热等性能。

  • 本文通过对比常规导体材料的基础性能,并结合石墨烯高强度和高导电的特性,梳理了石墨烯铝基复合材料力学性能和电学性能的研究进展和影响规律,探讨了石墨烯改性铝电缆导体的应用前景。

  • 1 常规导体材料性能

  • 铜和铝是最常用的两种金属导体材料,电工铜和电工铝的基本性能对比见表1。可以看到,电工铝的导电率约为电工铜的60%,但是单位重量电工铝的价格为电工铜的1/3,电工铝的密度也仅为电工铜的1/3,通过计算可知,相同载流量条件下,铝导体重量仅为铜导体的一半,价格仅为1/6。正是由于低密度和高性价比的特点,铝导体已在高压输电导线领域获得了大规模应用[4]

  • 但是在航空电缆领域,实际使用的电缆仍以铜导体为主,仅在部分大截面电缆有强烈减重需求时,才会考虑使用铝导体[5],主要是因为铝导体的抗拉强度、伸长率等力学性能与铜导体仍具有一定差距,尚不能满足航空电缆对导体的可靠性需求。为了提高铝导体在航空电缆领域的应用范围,提高现有铝导体的力学性能和导电性能,是需要解决的首要问题。

  • 表1 电工铜和电工铝基本性能对比

  • 2 石墨烯的力学与电学性能

  • 在石墨烯中,碳原子以SP2杂化方式成键,每个碳原子与邻近三个碳原子形成三个σ键,剩下的一个p轨道构成共轭π键[6]。正是由于这种特殊的二维结构,使得石墨烯具备优异的力学和电学性能。

  • 在力学性能方面,得益于C-C极强的键能和石墨烯的六元环状结构,石墨烯具备极其优异的力学性能。Lee C等[7]通过实验测量了完整单层石墨烯的力学性能,结果表明,其理论弹性模量高达1.02GPa,断裂强度高达130GPa,约是高强钢的100倍。但分子动力学研究结果也表明,石墨烯材料的强度会随石墨烯层数的增加而不断降低,当石墨烯的层数达到10层时,其理论断裂强度将降低到约80GPa[8]。此外,通过对无支撑单层石墨烯力学性能的实验测量,其拉伸强度为50Pa~60Pa,约为理论值的一半[9],但该结果也证明了,实际条件下石墨烯也具备远高于常规金属材料的力学性能。

  • 在电学性能方面,由于石墨烯中存在的共轭π键,每个碳原子提供的1个π电子可在石墨烯平面内自由移动,其电子迁移率可达2×105 cm2V-1s-1,是铜的6 000多倍,这使石墨烯成为了目前室温下导电性能最好的材料,其导电率可达1×106 S/cm,是铜的1.7倍[6]。但是,该理论性能仅限于完整结构的石墨烯材料,结构缺陷和石墨烯的化学改性一般都会使石墨烯的导电性能大幅降低。例如,还原氧化石墨烯中存在大量的含氧基团和结构缺陷,破坏了其晶格完整性,其导电率下降到2×102 S/cm,仅为完整结构石墨烯导电率的1/5 000[10]

  • 通过对石墨烯力学性能与电学性能的详细分析,可以看到,具备完整结构的石墨烯在力学和电学性能方面均优于常规铝、铜等金属导体材料,是理想的高强高导改性材料。在常规铝基体中,通过适当的手段引入石墨烯,能获得强度和导电性能更优异的新型轻质导体材料。

  • 3 石墨烯对铝基体性能的影响

  • 3.1 力学性能

  • 石墨烯铝基复合材料的力学性能是目前被国内外学者最为广泛研究的性能,在1系、2系、5系、6系、7系和8系铝合金中均有报道。但是,由于实际应用于铝导体的材料仍以1系为主,因此本文仅总结了部分典型石墨烯改性纯铝力学性能数据,如表2所示。

  • 表2 典型石墨烯改性纯铝力学性能研究结果

  • 续表2

  • Bartolucci[11]在2011年就已报道了采用石墨烯改性纯铝力学性能的相关研究,其采用球磨分散,热等静压烧结和热挤压成形的工艺路线,但是制备的石墨烯铝基复合材料拉伸强度有所降低。随后WANG Jingyue[12]采用PVA辅助分散,使石墨烯均匀分散在铝基体中,获得的石墨烯铝基复合材料强度从154MPa提升至249MPa,但伸长率却降低了一半。LIU Xinghai[16]等人通过在Al粉末表面镀铜,随后采用CVD的方法在粉末表面原位生长石墨烯,随后在580℃烧结,也获得了良好分散的石墨烯铝基复合材料,材料拉伸强度从104MPa提高到318MPa,但伸长率也从24%锐减至9%。

  • 上述研究均通过石墨烯实现了良好的强化效果,但由于烧结温度较高,基体中均产生了脆性相,使得材料伸长率大幅降低。为了避免上述问题,LI Juanli等人在较低温度下,采用粉末直接挤压成形的工艺路线[13],制备的石墨烯铝基复合材料强度从147MPa提高到173MPa,更重要的是,复合材料的塑性并没有降低,这主要是由于石墨烯和铝基体间形成了良好的界面结合,无明显脆性相生成,如图1所示。

  • 图1 直接挤压成型石墨烯铝基复合材料(0.5%石墨烯)的TEM微观组织示意图[13]

  • 为了实现石墨烯在铝基体中整齐排列,LI Zan[14]等人采用仿生工艺路线。以片状铝粉为原料,在溶液中,利用铝粉与氧化石墨烯之间的静电吸引力,使石墨烯均匀分散于铝片表面,随后采用热压烧结+热轧的工艺,制备了仿生贝壳结构的石墨烯铝基复合材料,其微观组织如图2所示。其晶粒取向表现出明显的各向异性。正是由于该特殊的微观结构,使得其制备的石墨烯铝基复合材料强度从201MPa提高到302MPa,同时伸长率基本保持不变。随后,ZHOU Weiwei[18]等人也基于在溶液中铝粉与氧化石墨烯之间会产生静电吸引的原理,实现了石墨烯在铝粉中的均匀分散,并通过高温短时间烧结,实现了良好的强化效果。

  • 图2 仿生贝壳结构石墨烯铝基复合材料TEM微观组织[14]

  • 此外,为了有效降低粉末冶金的加工成本,LI Min[17]等人采用了粉末冶金制备了高石墨烯含量的中间合金,随后采用连铸连轧的成形工艺,制备了石墨烯改性铝杆,其微观组织如图3所示。石墨烯沿轧制方向定向排列,更有利于发挥石墨烯的高强度特性。采用该工艺制备的φ9.5mm石墨烯铝杆强度从114MPa提高到156MPa,但伸长率却从11%降低到4%。

  • 图3 连铸连轧法制备石墨烯铝杆轧制方向SEM微观组织示意图[17]

  • 上述研究结果表明,已经形成了粉末冶金和连铸连轧两类石墨烯铝基复合材料成型工艺,其中粉末冶金工艺更为成熟,更能发挥出石墨烯的高强度特性,少量石墨烯(0.2~1.5wt.%)即可使铝基体的强度提高20%~200%,同时有望使塑性不降低,为石墨烯铝基复合材料的应用产品开发提供了良好的基础。

  • 3.2 电学性能

  • 石墨烯改性铝基体的电学性能的研究相对较少,表3列出了一些代表性的研究结果。可以看到,采用粉末冶金、连铸连轧等工艺,制备的石墨烯铝基复合材料导电性能,相对于基体材料一般是降低的,降幅在0.5%~4%之间[17-19],这可能是因为采用常规工艺,通常以石墨烯粉末为原材料,并且石墨烯离散分布在铝基体,并没有形成连续的导电网络,如图4所示,因此难以发挥出石墨烯高导电率的特性。此外,由于添加石墨烯而引入了新的界面,还会略微降低基体材料的导电性能。

  • 表3 典型石墨烯改性铝基体电学性能研究结果

  • 图4 石墨烯铝基复合材料Gr/Al8030微观形貌图

  • 为了获得石墨烯连续分布的铝基复合材料,CAO Mu[20]等以CVD生长的石墨烯膜和铝箔为原材料,通过将完整石墨烯膜转移至铝箔表面,并采用压力烧结的工艺,制备了石墨烯连续分布的叠层石墨烯铝基复合材料。并采用导电探针原子力显微镜(CP-AFM)分析了复合材料的微观导电性能,如图5所示。

  • 图5 叠层石墨烯铝基复合材料微观导电性能测试图

  • 在Al/Gr/Al叠层材料中,石墨烯位置的最大电流(29.3pA)是附近铝基体电流的73倍,说明该复合材料中石墨烯的导电性能远高于铝基体。计算表明,当石墨烯含量为0.15vol%时(单层石墨烯0.34nm,铝箔厚度500nm),采用该工艺制备的石墨烯铝基复合材料导电性能将比纯基体材料提高约10%[20]。但是目前500nm厚度的铝箔难以实现批量生产,因此现阶段采用该技术难以批量生产高导电石墨烯铝基复合材料。

  • 上述研究表明,只有实现石墨烯在铝基体中的连续分布,才能充分发挥出石墨烯高导电率的特性,从而提升铝基复合材料的绝对导电性能。

  • 4 结论

  • 通过对石墨烯改性铝基复合材料的力学性能与电学性能分析,结果表明石墨烯能大幅提高铝基体的拉伸强度,同时保持高的伸长率;而采用粉末冶金、连铸连轧等工艺,石墨烯难以形成连续导电网络,会使铝基体的导电性能有所降低。只有当石墨烯在铝基中连续分布时,才能有效提升复合材料导电率。

  • 航空电缆对铝导体有强度和导电率两方面的要求,但受限于制备工艺,现阶段还难以实现连续分布的石墨烯铝基复合材料的批量生产。采用粉末冶金、连铸连轧等工艺,在牺牲少量导电率的条件下,通过石墨烯大幅提高铝导体的力学性能,从而满足航空电缆的相关需求,将具备广阔的应用前景。

  • 参考文献

    • [1] 余强.性能不断提升的飞机电线电缆[J].国际航空,2015,(1):72-73.

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    • [3] DADKHAH M,SABOORI A,FINO P.An overview of the recent developments in metal matrix nanocomposites reinforced by graphene[J].Materials,2019,12(17):2823-2860.

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