杨延鹏和平蕴杰等PNSMI论文：银+高质量石墨烯复合材料的制备及其高的机械和电学性能

2004年，Geim等采用一种剥离定向热解石墨的方法首次制得二维石墨烯，并发现其能够独立稳定存在于常态，从此开启了“石墨烯时代”。石墨烯，一种由一层碳原子构成的二维纳米材料，具有优异的光学、电学、力学和热学等特性，成为现今研究的一个焦点。石墨烯的特性主要表现在：单层石墨烯透过率可达97.4%；导电性极好，迁移率为2×10⁵ V⁻¹žs⁻¹；弹性模量和拉伸强度分别为1.1 TPa和125 GPa；具有极高的热导率，达到5000 Wžm^-1žK^-1，远高于其他材料；同时还具有极大的比表面积2630 m²žg^-1。这些优异的性能使其在光电器件、储能器件、以及复合材料等诸多领域有巨大的应用前景。

近年来，随着科学技术的发展，对材料的性能要求也不断提高，研究生产优良的结构和功能性复合材料越来越成为材料复合化的必然趋势。具有优异物理性质和力学性能的石墨烯可以作为增强体应用在金属基复合材料，以提升金属材料的性能，适应现代工业的应用。例如：1）采用粉末冶金法将石墨烯和铝粉复合得到石墨烯增强铝基复合材料，在石墨烯质量分数为0.3%时，复合材料的抗拉强度为249 MPa，较普通铝合金提高了62%。2）通过化学气相沉积(CVD) 法在铜表面沉积上一层石墨烯薄膜，然后再用电化学沉积的方法在石墨烯薄膜上沉积上一层铜，并重复此操作过程，最终形成一种铜/石墨烯多层复合纳米材料。这种石墨烯增强铜基复合材料具有超高的性能，测试显示其屈服强度达到了1.5 GPa，远远高于纯铜。3）通过粉末冶金制备石墨烯/镁基复合材料，当加入石墨烯含量为0.3wt% 时，复合材料的杨氏模量、屈服强度与伸长率分别提高了131％、49.5％和74.2％。大量相关研究表明，添加适量石墨烯并且均匀分散在金属机体中可以实现材料整体强化，显著地提高复合材料的性能。

然而在石墨烯增强金属基复合材料中，石墨烯的品质发挥着重要的作用。一般来说，化学氧化还原法制备的普通石墨烯，具有成本低、产量大的特点，常被作为增强相应用于石墨烯复合材料的制备。但是，这种方法制备的石墨烯表面不可避免的存在大量官能团和晶格缺陷，对石墨烯的性能有很大影响，使其在复合材料中的性能优势难以充分发挥。因此，需要将石墨烯转化成更加高质量的石墨烯。

在我们以前的工作中，我们提出了一种简单有效的方法，即，将还原氧化石墨烯（RGO）在SPS系统中1500°C，40MPa下热压处理，得到更加高质量、高纯度的石墨烯（HQG）[Carbon, 2013, 54: 143-148]。甚至在放电等离子体的作用下不需要加压仅在1500°C下就可以获得HQG [AppliedSurface Science, 2017, 397: 213–219]。随后，我们制备了HQG/PVDF和HQG/Cu复合材料。实验发现HQG/PVDF在石墨烯含量约3%-5wt%时，其储能模量比普通热还原法制备出的RGO/PVDF复合薄膜提高2倍左右，更远高于纯PVDF薄膜的储能模量（8倍左右）[Journal of Materials Science, 2014, 49: 8311–8316.]。HQG/Cu在高质量石墨烯含量为1%左右时，其电导率比纯铜提高了8%，而普通的RGO/Cu复合材料的导电率仅比纯Cu提高了0.3%左右，显微硬度与纯铜提高了大约13%[RSCAdvances, 2015, 5, 80428 - 80433.]。

银具有良好的热电性能和优良的塑性变形能力，同时还有稳定的化学性能，在空气中不易被氧化和腐蚀，是当前电接触材料的主要基体材料之一。用于航空航天雷达和通信领域的电接触材料，在电源及信号传输系统中担负着动态传输功能，因而要求具有高的导电性、导热性、耐磨性和一定强度。随着这些领域应用要求的不断提升，对电接触材料强度和导电性提出更高的要求。传统电接触器件大多使用的是纯银材料，但由于单质银硬度和抗耐磨性又不高，缩短了纯银材料的使用寿命，为了避免不利因素的存在，便发展了以银为基体的复合材料，即在银基体中加入合金及高强度的增强体，提高了银基复合材料的性能，进一步扩宽银基复合材料的应用范围。

武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组近年来致力于金属+石墨烯复合材料的研究与应用。最近博士研究生杨延鹏和平蕴杰等人通过高速球磨和放电等离子烧结（SPS）制备了银+高质量石墨烯（HQG）复合材料。即：首先通过热压法将还原氧化石墨烯（RGO）转换得到缺陷度更少以及晶体结构完整的HQG；然后采用高能球磨法将HQG均匀分散在银粉末中得到银+HQG混合粉体；最后在SPS中进行高温高压烧结获得HQG增强的银基复合材料。微结构表征和性能测试显示：1）氧化还原法制备的石墨烯经过二次处理后能有效消除结构缺陷与表面官能团，进而形成HQG，采用高速球磨法使其均匀有效地包覆于银颗粒表面。2）在HQG含量为1%左右时，银+HQG复合材料的电导率提高了11%，硬度提高了42%。这种新型的银基复合材料能够进一步提高使用寿命，以及工作效率，将在精密器件电接触材料中有重要的应用前景。最近，论文已经发表在中国材料研究学会主办的刊物《Progress in Natural Science: Materials International》（工程技术3区，影响因子2.121）上。

论文链接：Yanpeng Yang, Yunjie Ping（前2位作者同等贡献）, Youning Gong,Zhongchi Wang, Qiang Fu, Chunxu Pan: "Ag/graphene composite based onhigh-quality graphene with high electrical and mechanical properties", Progress in Natural Science: Materials International, 2019, https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2019.04.010.

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