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石墨因其高導電性、熱穩定性及自潤滑特性，在工業領域占據重要地位。然而，其多孔結構和脆性限制了承載能力與耐磨性。金屬浸漬技術通過填充石墨孔隙并形成復合界面，顯著提升材料性能，成為高性能復合材料的研究熱點。本文從原理、制備方法到應用場景，系統解析金屬浸漬石墨的技術突破與產業價值。
一、金屬浸漬石墨的原理與機制
金屬浸漬的核心在于利用石墨的多孔結構(孔隙率通常為25%-40%)，通過物理或化學方法將液態或熔融金屬滲入孔道，固化后形成連續金屬相與石墨基體的復合結構。
1. 浸潤動力學
金屬需具備低表面能以自發填充石墨孔隙。銅、鋁等低熔點金屬可通過高溫熔滲實現浸潤，而鈦、鉻等高熔點金屬需借助壓力或化學氣相沉積(CVD)輔助。浸潤過程中，毛細管效應主導流體擴散，孔徑均勻性直接影響浸漬均勻度。
2. 界面結合機制
金屬與石墨的界面結合方式包括：
- 機械錨合：金屬冷卻收縮時嵌入石墨層間，形成機械互鎖；
- 化學鍵合：通過表面改性(如氧化處理)引入羧基或羥基，與金屬形成化學鍵；
- 擴散結合：高溫下金屬原子與碳原子相互擴散，形成固溶體或碳化物過渡層。
二、制備工藝與技術路徑
金屬浸漬石墨的制備需平衡效率與性能，主流方法包括：
1. 高溫熔滲法
將石墨預制體與金屬箔疊加，在惰性氣氛中加熱至金屬熔點以上(如銅熔點1083℃)，利用壓力(5-20 MPa)促進熔融金屬滲透。此方法適用于銅、鋁等中低溫金屬，但易導致石墨基體熱損傷。
2. 化學鍍與電沉積
通過電解或化學還原將金屬離子沉積于石墨孔隙。例如，鎳的電沉積可在常溫下進行，但需預處理石墨表面以提高附著力；化學鍍鎳則依賴次磷酸鹽還原，適合復雜形狀構件。
3. 粉末冶金法
將金屬粉末與石墨混合成型后燒結，金屬顆粒在高溫(800-1200℃)下熔化并填充孔隙。該方法可調控金屬含量，但需解決燒結收縮與孔隙封閉問題。
三、性能優勢與局限性
金屬浸漬石墨的復合結構賦予其性能：
1. 力學性能提升
- 抗壓強度：銅浸漬石墨的抗壓強度可達150-200 MPa，較純石墨(30-50 MPa)提高3-4倍；
- 耐磨性：金屬相減少摩擦界面的直接接觸，摩擦系數從0.2-0.3降至0.1以下；
- 抗熱震性：金屬相吸收熱應力，使材料在1000℃溫差下的熱震壽命提升50%以上。
2. 功能特性優化
- 導電性：銅浸漬石墨的電導率達10^4-10^5 S/m，接近純銅水平；
- 導熱性：金屬網絡顯著提升熱導，鋁浸漬石墨的熱導率可達200 W/(m·K)。
3. 局限性
- 密度增加：金屬填充導致密度從1.7-2.2 g/cm³升至4-6 g/cm³，犧牲部分輕量化優勢；
- 成本較高：高溫熔滲能耗大，金屬用量占比高(體積分數30%-60%)推升成本；
- 界面失效風險：熱膨脹系數差異(如銅的膨脹系數是石墨的3倍)可能引發循環載荷下的分層開裂。
四、應用領域與典型案例
金屬浸漬石墨的“按需設計”特性使其在多領域發揮不可替代作用：
1. 航空航天
- 剎車盤：銅/鈦浸漬石墨耐高溫(>1200℃)，密度低且摩擦系數穩定，已用于飛機制動系統；
- 熱防護材料：金屬相吸收再入大氣層的輻射熱，保護航天器內部結構。
2.新能源
- 燃料電池雙極板：鎳浸漬石墨兼具導電性與耐腐蝕性，替代傳統石墨板降低成本；
- 鋰硫電池正極：多孔石墨浸漬硫單質，緩解體積膨脹并提升導電性。
3. 高端制造
- 模具材料：鋁浸漬石墨用于壓鑄模具，耐高溫沖擊且脫模性好；
- 軸承組件：銀浸漬石墨在無油潤滑條件下運行，壽命是青銅軸承的2-3倍。
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