本發(fā)明涉及石墨烯復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計一種鐵基石墨烯堆焊復(fù)合焊料及其制備方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種具有獨特物理化學(xué)特性的新材料。該材料是目前世界上最薄最堅硬的材料之一。同時擁有優(yōu)異的電學(xué)性能(禁帶寬度約等于0，載流子遷移率達到2×105cm²·V－1·s－1)、卓越的力學(xué)性能(楊氏模量為1100GPa，斷裂強度為125GPa)以及良好的熱學(xué)性能(熱導(dǎo)率約為5000W·m－1·K－1，熱膨脹系數(shù)極低)。自發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯已經(jīng)被廣泛用來制備各種各樣的新材料，特別是功能復(fù)合材料。

石墨烯增強結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究起步晚，目前主要集中在制備石墨烯增強Al基，Ni基，Cu基復(fù)合材料。在塊狀石墨烯增強金屬基復(fù)合材料里，石墨烯分布在晶界上，細(xì)化晶粒，提高材料的屈服強度和硬度的作用。這些材料的制備過程繁瑣復(fù)雜，制造成本居高不下，難以實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，它們也都局限于特殊要求的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種鐵基石墨烯堆焊復(fù)合焊料及其制備方法，該復(fù)合焊料可作為原料，通過堆焊加工方式制備出具有石墨烯增強復(fù)合焊層的復(fù)合材料，從而提高材料的表面硬度和耐磨性能。

本發(fā)明采用如下方案解決上述技術(shù)問題之一：一種鐵基石墨烯堆焊復(fù)合焊料，由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、難熔金屬、納米級Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：難熔金屬：納米級Al₂O₃粉末＝40-81：1-10：0.1-2.5：2-20：1-4：1-5：5-20，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質(zhì)量比為40-80：0.1-1。

優(yōu)化的，所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

優(yōu)化的，所述難熔金屬為V、Nb、Ta、Mo、W中的至少一種。

本發(fā)明采用如下方案解決上述技術(shù)問題之二：一種如上所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲的制備方法，包括如下步驟：

a)選取粒徑為100-200nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：8-20的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，100-150℃保溫0.5-2.0小時；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉(zhuǎn)入機械混合容器中，啟動機械混合容器繞軸旋轉(zhuǎn)，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結(jié)合，所述機械混合容器的轉(zhuǎn)動速度為10–120rpm，混合時間為2-12小時；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進行篩分，保留未經(jīng)過270目篩孔的粉末，即為所述的鐵基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的鐵基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、難熔金屬、納米級Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲；

其中，所述機械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅(qū)動水平固定軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置；所述容器罐兩端設(shè)置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成15°-45°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進行旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明提供了一種用于加工石墨烯增強復(fù)合材料的焊料原材及其制備方法，上述焊料原材可通過堆焊加工方式在基材表面生成均勻分布的少層石墨烯細(xì)化晶粒，從而提高了基材的表面硬度和耐磨性能；本發(fā)明的焊料制備工藝簡便，適合大規(guī)模生產(chǎn)制造，有利于石墨烯材料的廣泛應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明中機械混合容器繞機械混合過程示意圖。

具體實施方式

實施例1

一種鐵基石墨烯堆焊復(fù)合焊料，由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Ta、納米級Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：Ta：納米級Al₂O₃粉末＝65：7：0.5：10：1：2：14.5，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質(zhì)量比為64.5：0.5。

其中，所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

如圖1所示，上述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲的制備方法，包括如下步驟：

a)選取粒徑為100-200nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：10的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，120℃保溫1.0小時；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉(zhuǎn)入機械混合容器中，啟動機械混合容器繞軸旋轉(zhuǎn)，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結(jié)合，所述機械混合容器的轉(zhuǎn)動速度為100rpm，混合時間為5小時；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進行篩分，保留未經(jīng)過270目篩孔的粉末，即為所述的鐵基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的鐵基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Ta、納米級Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲；

其中，所述機械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅(qū)動水平固定軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置；所述容器罐兩端設(shè)置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成30°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進行旋轉(zhuǎn)(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:2。

本發(fā)明所述的鐵基石墨烯堆焊復(fù)合焊料原材，可通過堆焊加工方式在基材表面生成一層均勻分布的少層石墨烯細(xì)化晶粒，從而提高了基材的表面硬度和耐磨性能；本發(fā)明的焊料制備工藝簡便，適合大規(guī)模生產(chǎn)制造，有利于石墨烯材料的廣泛應(yīng)用。

實施例2

一種鐵基石墨烯堆焊復(fù)合焊料，由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Nb、納米級Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：Nb：納米級Al₂O₃粉末＝60：8：1：15：3：3：10，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質(zhì)量比為59.8：0.2。

其中，所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

如圖1所示，上述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲的制備方法，包括如下步驟：

a)選取粒徑為100-200nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：12的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，100℃保溫2.0小時；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉(zhuǎn)入機械混合容器中，啟動機械混合容器繞軸旋轉(zhuǎn)，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結(jié)合，所述機械混合容器的轉(zhuǎn)動速度為80rpm，混合時間為8小時；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進行篩分，保留未經(jīng)過270目篩孔的粉末，即為所述的鐵基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的鐵基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Nb、納米級Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲；

其中，所述機械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅(qū)動水平固定軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置；所述容器罐兩端設(shè)置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成45°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進行旋轉(zhuǎn)(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:2。

實施例3

一種鐵基石墨烯堆焊復(fù)合焊料，由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Mo、納米級Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：Mo：納米級Al₂O₃粉末＝70.4：4：2.5：9.1：4：3：7，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質(zhì)量比為70：0.4。

其中，所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

如圖1所示，上述鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲的制備方法，包括如下步驟：

a)選取粒徑為100-200nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：13的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，100℃保溫2.0小時；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉(zhuǎn)入機械混合容器中，啟動機械混合容器繞軸旋轉(zhuǎn)，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結(jié)合，所述機械混合容器的轉(zhuǎn)動速度為120rpm，混合時間為2小時；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進行篩分，保留未經(jīng)過270目篩孔的粉末，即為所述的鐵基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的鐵基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Mo、納米級Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的鐵基石墨烯熱噴涂復(fù)合焊絲；

其中，所述機械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅(qū)動水平固定軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置；所述容器罐兩端設(shè)置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成40°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進行旋轉(zhuǎn)(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:3。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。