石墨烯具有优异的力学和物理性能,用其增强铝可获得高强,高导电的复合材料,这对于电力传输技术会产生巨大的技术推动。基于目前还未有关于液态法制备出石墨烯/纯铝复合材料的相关报导,本文选择了高比表面积的石墨烯和纯铝粉通过高能球磨混粉和压力浸渗相结合的方法制备了石墨烯/纯铝复合材料,并选择合适的挤压工艺进行了后续的挤压变形,以使石墨烯定向排布和打开多层石墨烯片层,研究了挤压变形前后材料的力学性能和导电性能等。复合材料性能的测试都是经320℃,2h的去应力退火后进行的。通过对球磨工艺的探索,获得了铝粉和复合粉体合适的球磨工艺,分别为球料比为5:1,300rpm+1.5h和球料比为5:1,300rpm+3h,在此球磨工艺下,石墨烯能够在不被破坏的情况下较为均匀地分散包覆在铝粉颗粒的表面,再用压力浸渗法通过工艺的调试制备出石墨烯/纯铝复合材料。挤压过程中发现,石墨烯/纯铝复合材料的表面质量对热挤压温度很敏感,该复合材料在挤压比为13:1的情况下最佳温度为480℃;经过挤压之后复合材料的中大晶粒消失,平均晶粒尺寸减小到10~20微米左右,平行于挤压方向的晶粒被拉长,晶粒粒度分布均匀;材料的致密度提高了0.98%~1.93%。对压铸态退火后的复合材料进行力学性能测试,表明在纯铝基体中加入石墨烯能够显著提高材料的力学性能。当质量分数小于0.21%时,弹性模量、抗拉强度随着石墨烯质量分数的增加单调增加,分别达到了75.8GPa和181.67MPa,较基体提高了7.21%和58.28%;复合材料的弯曲强度是在石墨烯的质量分数为0.54时,达到了最大值335.96MPa,较基体提高了68.01%。复合材料的延伸率随着石墨烯质量分数的增加而下降,但是都高于基体,最大延伸率达到了9.08%,分析认为,少量石墨烯的加入能够通过石墨烯褶皱的展平来缓解应力集中。当石墨烯的质量分数超过0.21%时,石墨烯在基体中会发生团聚现象,这些石墨烯团聚体降低了基体的塑性变形能力,裂纹容易在石墨烯团聚处扩展,导致材料过早断裂,延伸率降低,强度不能发挥出来。经热挤压变形后,复合材料的强度和塑性得到了大幅度的提高,其中复合材料的抗拉强度随着石墨烯质量分数的增加先增加而后减少,在石墨烯的质量分数为0.54%时达到了最高值,达到了227.19MPa,较挤压之前的提高了33.75%;挤压之后复合材料的延伸率比挤压之前有了显著的提高,但是变化趋势与挤压之前的是一样的。透射电镜下没有观察到石墨烯,对拉伸断口分析发现石墨烯的二维平面与拉伸方向垂直对强化不利,这是由于石墨烯片层之间的分子间作用力很小,很容易在外力作用下脱离开来,从而成为裂纹萌生的位置;二维平面与拉伸方向垂直的石墨烯片层对复合材料的强化有利,这种石墨烯能够充分发挥石墨烯自身作为增强体的强化作用,从而使得复合材料的强度提高;对比挤压前后断口,可以发现挤压后断口处的石墨烯明显减少了,这是因为石墨烯片层在挤压过程中被打开,在基体中的分散更为弥散,层数更少,不易被观察到所导致的,这种挤压变形效应使石墨烯片层打开,分布更弥散,使得晶粒更为细化,同时还能够发挥石墨烯的强化作用,因而使得挤压后复合材料无论是强度还是塑性都有所提高。导电性能测试表明,在基体中加入石墨烯能够在大幅度提高材料的导电性能,但需要合适的添加量。复合材料的导电性能都高于基体,在本实验条件下最佳质量分数是0.21%,电导率达到41.05%IACS。经过13:1的挤压比挤压后电导率进一步提高,达到了49.83%IACS,较压铸态基体提高了80.35%IACS,质量分数为0.21%的复合材料提高了21.39%。当石墨烯质量分数在一定范围时,挤压工艺才能够明显提高材料的电导率。对挤压前的复合材料进行热膨胀性能测试,发现石墨烯的少量加入能够降低复合材料的热膨胀系数,石墨烯会限制基体的自由膨胀,使其热膨胀系数降低。对挤压加工提高复合材料的强度、塑性及电导率的机理分析认为:复合材料进行热挤压变形后,一是提高了材料的致密度,降低孔隙率;二是由于在挤压过程中,由于基体与石墨烯之间的剪切应力大于石墨烯片层之间的分子间结合力,使得多层石墨烯在挤压过程中片层能够错开,由多层变为少层,能够比较充分发挥石墨烯的增强作用,从而提高材料的性能;三是石墨烯在挤压变形过程中因金属流动对石墨烯的剪切作用,使石墨烯准定向排布,从而提高复合材料的力学性能。综上所述,在本实验条件下,石墨烯的最佳质量分数在0.21%~0.54%之间,此时能够获得较高的强度,塑性和导电性,热挤压变形可以将上述性能进一步提高30%~50%。