石墨烯增强金属基复合材料的未来之路 | “大咖开讲——石墨烯的那点事儿”线上主题活动系列六

8月13日下午3点，济南大学材料学院教授、有色金属及复合材料研究所副所长冷金凤博士做客中国石墨烯产业技术创新战略联盟线上主题活动：大咖开讲——石墨烯的那点事儿。

本次讲座的主题为：“小材大用，家家争抱荆山之玉”——石墨烯增强金属基复合材料的未来之路。冷金凤教授以丰富的知识，富有底蕴的语言，为大家详细解读了石墨烯增强金属基复合材料未来的应用前景，展现了特有的东方文化女性气质，博得大家的一致好评。

首先，冷教授以简要的语言解释了“小材”之说，介绍了石墨烯的优异性能及应用领域。并列举了美国、欧盟及其他国家在石墨烯科研上的投入：

关于石墨烯作为增强体在金属基复合材料领域的应用，冷教授综合分析了石墨烯的性能特点及结构材料的发展方向。预期采用石墨烯增强金属基复合材料作为结构件或结构-功能一体化器件，根据复合材料定律，采用合适的制备工艺，将获得高强度、高刚度、高导热、高电导的复合材料。

在讲座的主体部分，冷教授从已经应用的陶瓷相（如碳化硅、氧化铝等）和长纤维（碳纤维、硼纤维等）增强的金属基复合材料开始，以其发展历程及应用引出石墨烯增强金属基复合材料领域的未来发展方向。

目前，从全球视角来看，金属基复合材料的应用，主要两大方向：军工的航空航天领域，及民用的轻型汽车、体育器材领域。

金属基复合材料在航空航天领域具有重要的作用，可以说新材料的发展推动着航空航天技术的发展。由于石墨烯增强金属基复合材料具有轻质、高强度、高模量的性能特点，目前波音和空客已将石墨烯增强金属基复合材料结构件作为重点开发对象。

然后，冷教授通过介绍中国的太空梦，详述了我国金属基复合材料发展的历程。并通过具体实例，阐述了金属基复合材料的独特性能特点以及在航空航天领域的应用。

在汽车、体育器材等方面，通过金属基复合材料的具体应用，说明其各向同性、高比强度、高比模量、高耐磨性、低膨胀及高尺寸稳定性等带来的好处。

但是，目前金属基复合材料仍然存在一些工艺问题。

石墨烯的出现，给复合材料专家们一个惊喜。独特性能的纳米结构，具有低密度、极高力学性能、高导电、高导热、且低膨胀，可作为增强体添加到金属材料中，提高复合材料力学性能及物理性能。相对于陶瓷增强体增强的金属基复合材料，提高了复合材料综合性能，且在后续材料加工（如挤压、轧制、模锻等）及机械加工（车削等）工艺中呈现更大优势，降低加工成本。

同时，由于石墨烯的密度更小，可进一步减重，为在轻质器件中应用提供了可能。

目前，石墨烯增强金属基复合材料研究刚刚起步，从2012年开始出现文献报道，大部分在工艺探索阶段，制备方法以粉末冶金法为主，以复合材料制备和力学性能研究为主。

对于石墨烯增强金属基复合材料未来发展取决于以下几个因素：一是制备工艺；二是性能指标；三是生产成本。

石墨烯作为增强体，在材料制备工艺上存在几大问题：一是石墨烯与基体合金润湿性差，如何解决界面问题；二是纳米尺度增强体颗粒加入，如何解决分散均匀性；三是如何提高复合材料的致密度。

冷教授课题组从2011年进行石墨烯增强金属基复合材料研究，经过几年的发展，在材料制备工艺上摸索了一些经验。并和大家做了慷慨分享：

最后，在未来的应用方向上，冷教授和大家做了探讨。期待首先在军工应用；随着石墨烯成本和制备成本的降低，期待在民用领域能广泛应用。

铝基复合材料的应用，主要包括三个方面：一、轻质、高导热、低膨胀电子封装，可用于航空航天电子设备；也可用于便携式电子设备；二、轻量化、高强度、高刚度的结构件；三、轻质、高强度、高导电、高导热导线。

铜基复合材料添加石墨烯获得高硬度、高耐磨性，未来可应用耐磨轴承；也可探讨应用于高导电、高导热、高温力学性能好、耐磨、耐电弧侵蚀的电触头材料。

由于石墨烯较好的化学稳定性，期待在高温材料领域获得应用。

在问答环节，冷金凤教授针对石墨烯在金属基体中的均匀分散、制备工艺、物性、膨胀系数、致密性、多种材料优势对比等问题做了耐心解答。