NiO纳米颗粒修饰石墨烯强化铝基复合材料的界面结
构及强化机理研究
摘要
铝基复合材料因其高强度、低密度及优良的机械性能等特点，在汽车、航空
航天和军事领域有着广泛的应用前景。增强体是影响铝基复合材料力学性能的重
要因素之一，石墨烯由于其超高的抗拉强度和弹性模量以及良好的延展性，作为
铝基复合材料的理想纳米增强体而备受关注。然而，目前石墨烯/铝基复合材料仍
存在石墨烯难以在基体中均匀分散、石墨烯/铝界面结合弱等问题。因此，寻求新
方法克服上述难题对开发性能优良的石墨烯/铝基复合材料具有十分重要的意义。
本文采用醇热和热还原相结合的方法制备了NiO纳米颗粒均匀负载的石墨烯
增强体（NiO@rGO），然后采用间歇球磨，将增强体与铝粉均匀混合。最后通过
真空热压烧结制备石墨烯增强铝基复合材料。研究了NiO含量对于增强体形貌组
织及性能的影响，确定了增强体的最佳制备工艺参数；研究了增强相与铝基体之
间的界面反应及形成机制，深入阐明了铝热反应对于复合材料微观界面结构的影
响；研究了增强体含量对于块体复合材料微观结构及性能的影响；系统探讨了石
墨烯增强铝基复合材料的断裂机理和增强机制。
研究表明，NiO纳米颗粒可以密集均匀的锚定在NiO@rGO增强体表面，并
且很好的保留了石墨烯片层结构的完整性，当NiO与GO的理论质量比为2:1时，
增强体的强化效果最佳。利用增强体表面负载的NiO纳米颗粒与铝基体在高温成
型过程中发生的铝热反应，在界面处形成石墨烯/AlO/Al独特微观界面结构，提
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高复合材料的载荷传递效率，同时产生的AlNi金属间化合物可由晶界扩散至晶
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内，作为第二相纳米颗粒阻碍晶内的位错运动，缓解了晶界处应力集中，从而提
高了石墨烯增强铝基复合材料的综合力学性能。相比于铝基体，复合材料屈服强
度为92.6±3.3MPa，极限抗拉强度高达130.7±1.8MPa，分别提高了85.6%、
60%。复合材料的断口形貌呈现出脆性断裂和韧性断裂相结合的特征。对其强化
机制进行分析可发现，载荷传递强化及界面热错配强化为复合材料主要的增强机
制，其中载荷传递强化占据主导地位。
关键词铝基复合材料；石墨烯；界面结合；强化机制
-I-
InterfacialStructureandStrengthMechanismofNiO
NanoparticlesModifiedGrapheneReinforced
AluminiumComposites
Abstract
Aluminiummatrixcompositeshaveextensiveappliedprospectsintheautomotive,
aerospaceandmilitaryfieldsduetotheircharacteristicsofhighstrength,lowdensityand
excellentmechanicalproperties.Reinforcementisoneoftheimportantfactorsaffecting
magneticperformanceofaluminiummatrixcomposites,whichisofgreatinterestto
grapheneasanidealnano-reinforcementforaluminiummatrixcompositesduetoits
ultra-hightensilestrengthandmodulusofelasticity,aswellasitsexcellentductility.
However,