石墨烯是一種新型二維材料，具有堪比碳納米管的優異力學性能，同時還具有低熱膨脹系數、高熱導率等優異的熱物理性能，并且量子效應奇特。因此將石墨烯和鋁金屬復合，制備石墨烯鋁基復合材料，將具有輕質高強、低熱膨脹和高熱導率等優異性能，滿足實際航天航空等結構件和微電子封裝領域的需求。

　　自從石墨烯單層結構被諾沃肖洛夫等人在2004年首次剝離之后，有關石墨烯及其應用特性的研究在多個領域得到了廣泛發展。石墨烯是sp2雜化碳原子形成的厚度僅為單原子層，排列成二維六角網格狀的晶體。

　　當施加外部機械力時，碳原子層就會彎曲變形來適應外力，而不必使碳原子重新排列，這樣就保持了結構的穩定。石墨烯中的電子在二維六角網格中運動時，不會因晶格缺陷或摻雜原子而發生散射。由于原子間相互作用力較強，即使在常溫下周圍碳原子間發生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

　　石墨烯具有許多優異的性質，如理論上理想的單層石墨烯的比表面積達2630 m2/g，而厚度僅為0.35 nm；理想情況下，電子在石墨烯上的運動速度遠超過在一般導體中的運動速度，達到了光速的1/300；石墨烯的拉伸模量和力學強度分別可達1000和130GPa，是目前已知最高的，為鋼的100多倍。

　　為了在各種應用中進一步發掘這些性質，研究人員對石墨烯及石墨烯基復合材料的合成進行了多種合成路徑的開發。

　　迄今為止，石墨烯已經被成功地與無機納米結構、有機晶體、聚合物、金屬有機框架結構、生物材料、碳納米管等材料復合，并在電池、超級電容器、燃料電池、光催化、傳感、拉曼增強等領域得到了廣泛的研究。

　　石墨烯的制備

　　石墨烯的制備從最早的機械剝離法開始逐漸發展出多種制備方法， 如： 晶體外延生長法、化學氣相沉積法、液相直接剝離法以及高溫脫氧和化學還原法等。我國科研工作者較早開展了石墨烯制備的研究工作?；瘜W氣相沉積法是一種制備大面積石墨烯的常用方法。

　　目前大多使用烴類氣體（如CH4、C2H2、C2H4等）作為前驅體提供碳源， 也可以利用固體碳聚體提供碳源， 如Sun 等利用化學氣相沉積法將聚合物薄膜沉積在金屬催化劑基體上， 制備出高質量層數可控的石墨烯。與化學氣相沉積法相比， 等離子體增強化學氣相沉積法可在更低的沉積溫度和更短的反應時間內制備出單層石墨烯。此外晶體外延生長法通過加熱單晶6H-SiC 脫除Si， 從而得到在SiC表面外延生長的石墨烯。但是SiC晶體表面在高溫過程中會發生重構而使得表面結構較為復雜， 因此很難獲得大面積、厚度均一的石墨烯。

　　而溶劑熱法因高溫高壓封閉體系下可制備高質量石墨烯的特點也越來越受研究人員的關注。相比于其他方法， 通過有機合成法可以制備無缺陷且具有確定結構的石墨烯納米帶。

　　與上述自下而上的合成方法不同， 自上而下的方法可提高石墨烯產率并且易于制備。如簡單易行的化學剝離法和氧化石墨還原法， 后者已成為實驗室制備石墨烯最簡單的方法。

　　而接下來發展的溶劑剝離法比氧化還原法毒性小， 并且不會破壞石墨烯的結構。除化學還原法外， 也可通過電化學方法將石墨氧化物還原成石墨烯， 但該法制備得到的石墨烯中C和O原子比值較低。此外， 微波法也被用來制備石墨烯。

　　首先采用改進的Hummers法［12］制備氧化石墨。實驗材料為粒度約43 μm天然石墨（≥99.0%）。按重量比2:1：6準備石墨、NaNO3（≥99.0%）和KMnO4（≥99.5%）。將石墨和NaNO3加入到0 ℃的濃硫酸（≥95.0%）中，在KMnO4的作用下分別在10和35 ℃發生低溫和中溫反應2 h。接著向中溫反應產物中加入去離子水繼續反應，控制反應溫度在95 ℃以下，反應30 min。向高溫反應產物加入5%的H2O2溶液以溶解MnO2，將溶液攪拌至金黃色，然后分別用濃度5%的稀鹽酸和去離子水洗滌過濾3次，取出過濾產物，用足量去離子水溶解，超聲波處理2 h后形成氧化石墨烯膠體。取三等份膠體分別水浴加熱至60，80，98 ℃，并不斷攪拌，同時加入過量N2H4·H2O（≥80%），反應2 h后洗滌過濾，將過濾產物烘干，獲得石墨烯。取制備的石墨烯，采用多晶X射線衍射儀（荷蘭帕納科公司，X’PertPRO型）對其衍射峰進行分析，并采用掃描電子顯微鏡（日本津島公司，SSX-550型）觀察噴金后的石墨烯樣品的表面形貌。

　　石墨烯-Cu的制備

　　將上述方法制備的氧化石墨烯膠體中加入足量的0.1 mol/L CuSO4溶液，攪拌混合，水浴加熱至98 ℃，然后加入過量N2H4·H2O反應2 h，洗滌過濾，烘干后獲得石墨烯-Cu。用多晶X射線衍射儀對制得的石墨烯-Cu樣品衍射峰進行分析，并采用掃描電子顯微鏡觀察噴金后樣品的表面形貌。

　　石墨烯鋁基復合材料的制備

　　采用感應爐將99.99%的工業純鋁塊錠加熱熔化至720 ℃，采用精密增力電動攪拌器（上海浦東物理光學儀器廠，JJ-1型）攪拌熔體。同時不斷加入自制石墨烯-Cu。石墨烯-Cu與鋁塊的重量比為1:50。當鋁液溫度降至660℃，攪拌阻力明顯增大，取出攪拌器，空冷熔體至室溫。采用430/450SVDTM維氏硬度計測試樣品的硬度，采用掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面形貌，并對其成分進行分析。

　　結果與分析

　　石墨烯的結構與分布

　　圖1為不同還原溫度條件下制備的石墨烯的XRD圖譜。圖中2θ=26.7°處衍射峰為石墨特征峰（002），它表明sp3雜化的碳又重新轉化為sp2雜化的碳。在石墨特征峰（002）左側2θ=21°附近存在一個相對較強的衍射峰。由于氧化處理破壞了部分碳六元環，使石墨片層含有大量的含氧官能團，還原劑并不能將所有含氧官能團完全還原，大多數被破壞碳六元環不能恢復原貌，而且，還原后的石墨無法完全恢復到原有的片層堆垛結構。因此，在X射線衍射圖上存在2θ=21°衍射峰。圖2為不同還原溫度條件下制備的石墨烯的SEM照片。從圖2a中可以觀察到石墨烯片交叉團聚在一起，觀察不到石墨的片層堆垛結構。這表明石墨經過氧化及超聲波處理后，還原產物的結構發生了改變。石墨片層由有序堆垛變為無序堆垛。殘留含氧官能團、石墨片層結構缺陷及石墨片層間無序堆垛導致了石墨特征衍射峰（002）向左偏移，并在2θ=21°附近形成新衍射峰。在60，80，98 ℃下還原得到的石墨烯表面形貌不同，這說明還原溫度對石墨烯的團聚程度有影響。隨著還原溫度升高，還原產物的團聚逐漸減輕。還原溫度為98 ℃時，石墨烯片層的團聚性最小，最容易找到脫落的石墨烯片。

　　對比圖1中3條XRD曲線，還原溫度為98 ℃的曲線在2θ=21°和2θ=26.7°處峰值均小于60、80 ℃在這2處的峰值，這表明還原溫度為98℃時石墨的氧化反應和氧化石墨的還原反應進行的更充分。

　　圖3為石墨和98 ℃還原得到的石墨烯的XRD圖譜，從圖中可以看到，在石墨（002）特征衍射峰的強烈對比下，98 ℃還原得到的石墨烯的XRD曲線接近一條直線，看不到明顯的衍射峰，表明所制備的石墨烯已經達到了制備石墨烯鋁基復合材料的要求。

　　石墨烯-Cu的結構與分布

　　圖4為石墨烯-Cu的SEM照片及能譜分析。由圖4a可知，在制得的石墨烯邊緣附著了一些細小的晶體顆粒。對圖4a中A點做能譜分析，其結果如圖4b所示，從測試結果可知，這些細小顆粒的成分中含有銅和氧。分析圖5的XRD曲線可知，樣品中存在大量的銅單質和氧化銅，證實圖4a中小晶粒的成分為氧化銅和銅。因此，硫酸銅中的銅離子被還原為單質銅和氧化銅并吸附在石墨烯上。

　　銅的密度是8.96 g/cm3，氧化銅的密度受其結構的影響，在6.32~6.45 g/cm3之間，而石墨烯的密度可以參考石墨（2.21~2.26 g/cm3）的密度。銅及氧化銅的密度要遠大于石墨烯的密度。銅及氧化銅顆粒吸附到石墨烯上，提高了石墨烯的密度。而且銅原子與鋁基體具有較好的潤濕性，因而附著了單質銅和氧化銅顆粒的石墨烯與鋁基體的潤濕性也有很大提高。