石墨烯是一種新型的二維納米增強體，擁有極高的理論強度和電熱性能，將其用于金屬基復合材料，有望實現現有材料性能的突破式發展。相比于傳統增強體材料，石墨烯擁有強化效率高的特點，往往只添加低于1%（質量分數，下同）的石墨烯，便可以使性能提升80%~200%。在強化機制上，石墨烯一方面抑制鋁晶粒長大，提高細晶強化效果；另一方面石墨烯阻礙位錯運動，擁有獨特的位錯強化機制，可以同時實現強塑性增強。

但石墨烯增強鋁基復合材料的發展存在如下問題：少層石墨烯在維度上屬于納米增強體，表面活性較高，在鋁基體中極易發生團聚，難以均勻分散；在材料加工過程中石墨烯極易遭受破壞，產生孔洞缺陷，缺陷石墨烯的性能遠低于無缺陷石墨烯的性能，導致復合材料的實際性能低于理論預測；此外，表面含有缺陷的石墨烯也更容易發生界面反應，生成脆性界面產物Al4C3，導致復合材料塑性降低。因此石墨烯的低損傷分散成為研究重點。

為了實現石墨烯的低損傷均勻分散，研究人員嘗試了諸多分散技術。目前常用的石墨烯分散工藝主要有原位自生分散、液相分散和機械球磨分散。其中原位自生分散制備的石墨烯缺陷最少，與基體往往存在共格或半共格的界面；液相分散對石墨烯損傷少，且有利于石墨烯-金屬界面結構設計，但是這兩種分散工藝往往分散效率低，成本較高。相比較之下機械球磨分散技術分散效率高，物理球磨的成本遠低于化學生產過程，非常適用于大批量石墨烯/鋁復合材料的制備。此外，球磨法還有將Al粉片化的獨特優勢。傳統球形鋁粉理論上最多吸附4%石墨烯，而采用片狀粉末球磨工藝可將鋁粉形貌變為片狀，可以改善石墨烯與鋁的外形尺寸相容性，從而吸附更多的石墨烯。

本研究利用過程控制劑PDMS (聚二甲基硅氧烷)調控機械球磨過程，制備了片狀石墨烯-鋁混合粉末，利用片狀粉末冶金工藝和壓力浸滲燒結制備了0.6% GNPs/Al復合材料。通過調控PDMS黏度，成功地實現了片狀鋁粉的直徑控制。

球磨時間和片狀鋁粉直徑為參數繪制曲線，如圖1所示。可以看出球磨過程分兩個階段：在球磨時間0~120 min階段，隨著球磨時間延長，鋁粉的片徑顯著上升，此階段為片化階段(flaky process)，球磨介質的沖擊作用會顯著大幅度改善鋁粉的形貌；在球磨時間超過120 min后，鋁粉片徑達到臨界值，隨著球磨時間延長片徑沒有明顯上升，此階段為穩定階段(stable process)。在達到穩定階段后，延長球磨時間也不會明顯提升片狀鋁粉的直徑。為了實現片狀鋁粉直徑最大化，同時降低石墨烯的損傷，應該選擇片化-穩定臨界點以達到最佳的球磨效果。

圖1 片狀鋁粉直徑隨球磨時間的變化關系

鋁粉的片化過程主要為在機械球磨作用下，球磨介質對鋁粉進行沖擊，導致鋁顆粒發生變形。球磨沖擊作用的沖擊能量與球磨轉速、球磨介質的質量、球料比以及過程控制劑相關。本研究所選擇的過程控制劑PDMS是一種黏度可控的高分子聚合物，在實驗中觀察到過程控制劑黏度改變會顯著影響球磨行為。為了研究這種行為的變化規律，實現片狀鋁粉的可控制備和石墨烯的低損傷分散，在后續實驗中研究黏度對球磨行為的影響。

將鋁片直徑與過程控制劑黏度繪制成曲線，如圖2所示。可以明顯觀察到隨著過程控制劑黏度增加，片狀鋁粉直徑上升，并且鋁粉直徑與過程控制劑黏度之間存在函數關系。改變過程控制劑PDMS的黏度，對球磨后片狀鋁粉的直徑有較大影響，黏度越高片徑越大。

圖2 片狀鋁粉直徑隨過程控制劑PDMS黏度的變化關系(橫坐標為對數坐標軸)

黏度與鋁粉直徑之間的變化關系可以通過分析球磨行為得到解釋，如圖3所示。圖中藍色球形對應球磨介質，實驗中為直徑為3 mm的氧化鋯陶瓷球；灰色對應鋁粉，初始形貌為球形。在機械球磨過程中，球磨介質發生碰撞，導致鋁粉發生初步變形，而后球磨介質在離心力的作用下分開。此時不同黏度的過程控制劑會對鋁粉在球磨介質表面的吸脫附行為產生影響。當過程控制劑黏度較高時，鋁粉更容易吸附在球磨介質表面，如圖3紅色邊框圖片所示；在后續的撞擊過程中，鋁粉沿平面法線方向繼續受到撞擊，持續變形，最終形成直徑較大的片狀鋁粉。當過程控制劑黏度較低時，鋁粉會從球磨介質表面脫附分離，如圖3綠色邊框圖片所示；由于鋁粉不受球磨介質表面約束，在后續撞擊過程中從隨機方向進行變形，導致變形效率低，平均直徑較小。

圖3 過程控制劑黏度調控球磨過程中鋁粉片化機制示意圖

機械球磨過程石墨烯的損傷行為也會因工藝過程變化而產生差異。大量研究表明，隨著球磨時間延長，石墨烯缺陷含量會顯著上升，這是由于機械球磨的撞擊作用在使鋁粉變形的同時，也會撕裂石墨烯，產生大量的邊緣缺陷和孔洞缺陷。本研究發現石墨烯的缺陷不僅隨球磨時間延長而上升，也隨著過程控制劑黏度改變而發生變化。利用Raman表征石墨烯中缺陷存在狀態，如圖4所示。這是因為石墨烯的缺陷演化主要受到兩方面的控制：一方面為機械球磨產生的損傷作用，隨著球磨過程的進行，在高能沖擊作用和Al粉的變形作用下，石墨烯產生大量邊緣和孔洞缺陷；另一方面為過程控制劑的潤滑緩沖作用，所選用的過程控制劑本身具有一定黏度，在球磨過程中過程控制劑會均勻包覆在石墨烯和鋁粉表面，黏度高的過程控制劑對球磨沖擊有一定的緩沖作用，有利于降低石墨烯的缺陷損傷。

圖4 機械球磨后石墨烯的Raman表征

(a) Raman表征結果；(b)  ID/IG值隨PDMS黏度改變變化規律

基于上述結果，可以看出，利用不同黏度的過程控制劑，可以成功地實現了片狀鋁粉的直徑和缺陷控制。低缺陷石墨烯-大片徑片狀鋁粉混合粉末更有利于實現石墨烯的均勻分散、提升鋁粉表面石墨烯包覆含量，避免體系中石墨烯團聚；同時缺陷含量降低也保留了石墨烯的結構強度，同時避免了界面脆性相的生成。這一研究結果有利于實現石墨烯/Al復合材料的定量設計，為機械球磨分散石墨烯-鋁體系的參數調控提供指導。