从石墨烯团聚到棘手的碳-铝界面，再到截然不同的加工成本，本文回顾了在高性能实验室复合材料与可靠的工业生产之间，究竟还存在哪些障碍。
在最近发表于Beilstein Journal of Nanotechnology的一篇研究论文中，研究人员从纳米尺度和工业应用两个角度，对开发高性能石墨烯/铝复合材料所取得的进展和面临的挑战进行了全面综述。
石墨烯/铝复合材料的基础
石墨烯/铝（Gr/Al）复合材料已崭露头角，成为一类极具前景的轻量化、高性能材料，在航空航天、汽车和电子等领域具有潜在的应用前景。
石墨烯具有非凡的性能，包括卓越的抗拉强度（约125 GPa）、非凡的导热率（约5000 W·m⁻¹·K⁻¹）和优异的导电率（约100·10⁶ S·m⁻¹），当与铝的理想密度和可成形性相结合时，为多功能结构部件的开发提供了机遇。
自2004年发现机械剥离石墨烯的方法以及随后对石墨烯/铝（Gr/Al）复合材料的研究以来，人们在纳米尺度上合成此类复合材料方面投入了大量精力。
在实现可靠、大规模、工业级Gr/Al复合材料方面仍存在若干关键挑战，特别是在石墨烯的纳米级分散、界面键合的控制以及界面反应的管理方面，其中包括碳化铝（Al4C3）的过量形成，这可能会损害材料的力学完整性。
图示了石墨烯材料的晶体结构：(a) 原始石墨烯，(b) 三层石墨烯，以及 (c) 还原氧化石墨烯。
合成与分散方面的进展
本综述汇总了十余年的研究成果，强调了石墨烯合成、分散及复合材料制备方法在决定复合材料结构和功能性能方面的关键作用。
这些复合材料中使用的石墨烯包括单层石墨烯、少层石墨烯以及功能化衍生物，如氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）。自上而下的剥离法和自下而上的方法（如化学气相沉积法（CVD））为石墨烯的生产提供了多种途径，而本综述指出，氧化还原法合成的还原氧化石墨烯（rGO）和液相剥离法（LPE）是用于制备Gr/Al复合材料的石墨烯的两种主要工业生产方法。
研究重点在于克服石墨烯固有的范德华力驱动的团聚现象，这种团聚会形成对载荷传递、电学通路和热传导产生不利影响的簇团。已探索了多种分散和加工技术，包括球磨、化学或静电表面处理以及电磁搅拌，以促进石墨烯在铝粉或熔体中的均匀分布。
为调控界面反应并限制过量的Al4C3形成，已开发出旨在调节石墨烯-铝键合的界面工程策略。Al4C3的影响取决于其形成量及加工条件，下文将对此问题进行更详细的探讨。
粉末冶金与电火花等离子烧结（SPS）等制造技术能够精确控制微观结构和界面特性，通过快速、加压辅助的烧结循环，有助于限制过量的Al4C3形成。
相反，搅拌铸造等整体加工方法虽然具有大批量生产和成本优势，但受限于微观结构控制能力，导致石墨烯分散不均匀，且性能提升有限。
新兴的增材制造技术，特别是激光粉末床熔融（LPBF），利用局部熔化和快速凝固将石墨烯包埋在铝基体中，从而细化晶粒结构并实现界面载荷分担效应。该综述将LPBF的技术成熟度定为3至4级，反映出其工业发展尚处于相对早期阶段。变形驱动的冶金工艺通过诱导晶粒细化并改善力学性能，进一步发挥了作用。
界面工程与机理
要将石墨烯/铝复合材料的微观结构特性与宏观性能联系起来，必须解决纳米材料集成固有的根本性挑战。在限制范德华力驱动的聚集的同时，实现石墨烯纳米片的均匀分布，仍是同时提升强度、导热率和电学性能的关键要求。
一个长期存在的挑战在于，如何在不牺牲延展性以及使石墨烯作为增强材料具有吸引力的电学和热传导性能的前提下，提高其强度。
人们对纳米级分散方法进行了严格审查，以评估其在保持石墨烯完整性的同时，能否在不引发过度界面反应的情况下促进强界面粘合。
控制石墨烯-铝界面处Al4C3的形成被强调为一项核心要求。微小且不连续的纳米级Al₄C₃颗粒可作为化学锚定点，增强载荷传递；而过量形成则会导致界面脆性和与湿气相关的降解。石墨烯的先进表面改性技术——包括Cu、Ni或Ti涂层，以及Al₂O₃或Al₄SiC₄等中间层——在减少有害界面反应的同时，并未牺牲载荷传递效率，展现出广阔前景。
SPS对烧结参数的精确控制能力，充分展示了如何通过微观结构和界面工程，制备出相对密度高（>99%）、晶粒细小（~0.8 µm）且机械性能得到提升的复合材料，这些材料非常适合航空航天和电子领域的应用。
成本仍是生产Gr/Al复合材料的一个限制因素。该综述表明，尽管在作者设定的基准假设下，搅拌浇铸等技术可将制造成本降低至约1,508美元/吨，但在分散均匀性和界面控制方面仍面临挑战。该估算采用中国市场价格、2,000吨/年的生产基准，以及0.1-0.5 wt%的少层石墨烯，且不包括铝的成本。
尽管SPS在微观结构和界面控制方面非常有效，但其成本显著更高——在相同的基准条件下约为每吨9,660美元，最适合用于高价值、小批量产品。将快速SPS与低成本铸造相结合，同时继续开发LPBF等方法，有望支持更经济的纳米结构复合材料生产。
产业化挑战与展望
本综合综述得出结论：微观结构与界面工程仍将是石墨烯/铝复合材料未来发展和产业成熟的核心。解决石墨烯在纳米尺度上的分散性及界面相控制等长期存在的挑战，对于充分发挥这些轻量化、多功能材料的全部潜力至关重要。
石墨烯表面功能化、可控烧结工艺以及综合制造路线方面的进展，有望推动该技术从实验室验证向商业应用的转变。
以低成本生产高性能石墨烯/铝（Gr/Al）复合材料仍是本综述中面临的主要产业化挑战，而不安定且难以控制的碳-铝界面被认定为根本的技术难题。在低成本表面改性、快速低温致密化和兼容的铸造工艺方面持续取得进展，有望改善大规模生产的前景。可靠、大规模地生产界面和性能均得到良好控制的Gr/Al复合材料，将拓宽其在航空航天、汽车、电子和热管理领域的应用范围。
来源：
High-performance graphene/aluminum composites: progress and challenges from an industrial perspective, Shuai GuoLiang, Pan LinXia and Ma HaiLin Beilstein J. Nanotechnol. 2026, 17, 1257–1271, DOI: 10.3762/bjnano.17.86, https://www.beilstein-journals.org/bjnano/articles/17/86
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