高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，本發(fā)明涉及一種石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明要解決石墨烯納米片在基體金屬中潤濕性較差且分散不均勻的問題。本發(fā)明方法：一、將石墨烯納米片和Zn粉混合球磨；二、復(fù)合粉末加入到Mg-Zn合金熔體中；三、超聲處理；四、澆注并凝固。本發(fā)明制備復(fù)合材料的工藝簡單、可行，制備的復(fù)合材料力學(xué)性能有大幅提高，石墨烯納米片在基體金屬中潤濕性好且分散均勻。本發(fā)明用于高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備。
【專利說明】高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，屬于納米復(fù)合材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以Sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家A.K.Geim與K.S.Novoselov成功地通過實(shí)驗(yàn)從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
[0003]石墨稀目如是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，聞?dòng)谔技{米管和金剛石，它的強(qiáng)度比鋼鐵還要高200倍，具有ITPa的拉伸模量(剛度)。常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V.s,而電阻率只約10-6 Ω.cm,為目前已知電阻率最小的材料。石墨烯的另一個(gè)特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。石墨烯納米片(Graphene nanoplates, Gnp)是指碳層數(shù)多于10層、厚度在5-100nm范圍內(nèi)的超薄的石墨烯層狀堆積體。石墨烯納米片保持了石墨原有的平面型碳六元環(huán)共軛晶體結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，以及良好的潤滑、耐高溫和抗腐蝕特性。相對于普通石墨，石墨烯納米片的厚度處在納米尺度范圍內(nèi)，可作為納米金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。
[0004]然而，由于石墨烯納米片和鎂合金的潤濕性不好，且其納米級(jí)的尺寸也使得石墨烯納米片之間產(chǎn)生強(qiáng)大的范德華力而極易團(tuán)聚，這都使得復(fù)合材料中石墨烯納米片的增強(qiáng)效果不能完全的發(fā)揮，所以如何使石墨烯納米片在基體金屬中潤濕良好且均勻分散成為了能否成功制備納米鎂基復(fù)合材料的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

`[0005]本發(fā)明的目的是為了解決石墨烯納米片在基體金屬中潤濕性較差且分散不均勻的問題，提供高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法。
[0006]本發(fā)明高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一、將石墨烯納米片和Zn粉混合，于250r/min~450r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h~12h，得GnpOZn復(fù)合粉末，其中GnpOZn復(fù)合粉末中Zn粉與Gnp的質(zhì)量比為10~15: I ；
[0008]二、將步驟一得到的復(fù)合粉末加入到Mg-Zn合金熔體中，于530°C~630°C下攪拌IOmin~20min,其中Mg-Zn合金熔體中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~6%, Gnp在混合后的合金熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%~3% ；
[0009]三、將步驟二得到混合后的合金熔體升溫到650°C~750°C，然后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為500w~800w，超聲時(shí)間為5min~IOmin ；
[0010]四、將步驟三超聲處理后的混合熔體澆注到溫度為300°C~500°C的模具中，并在IOOMPa~150MPa的壓力下凝固，即得高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
[0011]本發(fā)明的有益效果:
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于預(yù)先通過將Zn粉和石墨烯納米片片混合球磨，可以有效的分散團(tuán)聚的石墨烯納米片并使Gnp均勻的分散在Zn粉的表面，最后進(jìn)行攪拌復(fù)合超聲波法制備復(fù)合材料，通過高能超聲波的作用，可以有效解決鎂合金熔體與Gnp潤濕性差以及Gnp不易分散的困難，充分的發(fā)揮Gnp的增強(qiáng)效果，制得力學(xué)性能良好的納米鎂基復(fù)合材料。
[0013]本發(fā)明制備復(fù)合材料的工藝簡單、可行，制備的復(fù)合材料力學(xué)性能有大幅提高，石墨烯納米片在基體金屬中潤濕性好且分散均勻，可用于結(jié)構(gòu)材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為實(shí)施例一制備的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的SEM圖；
[0015]圖2為實(shí)施例二制備的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的SEM圖；
[0016]圖3為實(shí)施例三制備的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0018]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0019]一、將石墨烯納米片和Zn`粉混合，于250r/min~450r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h~12h，得GnpOZn復(fù)合粉末，其中GnpOZn復(fù)合粉末中Zn粉與Gnp的質(zhì)量比為10~15: I ；
[0020]二、將步驟一得到的復(fù)合粉末加入到Mg-Zn合金熔體中，于530°C~630°C下攪拌IOmin~20min,其中Mg-Zn合金熔體中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~6%, Gnp在混合后的合金熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%~3% ；
[0021]三、將步驟二得到混合后的合金熔體升溫到650°C~750°C，然后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為500w~800w，超聲時(shí)間為5min~IOmin ；
[0022]四、將步驟三超聲處理后的混合熔體澆注到溫度為300°C~500°C的模具中，并在IOOMPa~150MPa的壓力下凝固，即得高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
[0023]本實(shí)施方式的有益效果:
[0024]本實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于預(yù)先通過將Zn粉和石墨烯納米片片混合球磨，可以有效的分散團(tuán)聚的石墨烯納米片并使Gnp均勻的分散在Zn粉的表面，最后進(jìn)行攪拌復(fù)合超聲波法制備復(fù)合材料，通過高能超聲波的作用，可以有效解決鎂合金熔體與Gnp潤濕性差以及Gnp不易分散的困難，充分的發(fā)揮Gnp的增強(qiáng)效果，制得力學(xué)性能良好的納米鎂基復(fù)合材料。
[0025]本實(shí)施方式制備復(fù)合材料的工藝簡單、可行，制備的復(fù)合材料力學(xué)性能有大幅提高，石墨烯納米片在基體金屬中潤濕性好且分散均勻，可用于結(jié)構(gòu)材料。
[0026]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一中所述的GnpOZn復(fù)合粉末中Zn粉與Gnp的質(zhì)量比為10~13.5: I。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。[0027]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:步驟一中所述的球磨采用鋼球和鋼球罐，球料質(zhì)量比為8~15: I。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟一中所述的于300r/min~400r/min的轉(zhuǎn)速下球磨8h~10h。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:步驟二中所述的Mg-Zn合金熔體中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%~5%。其它與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:步驟二中所述的于580°C~600°C下攪拌IOmin~20min。其它與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是:步驟三中所述的將步驟二得到的合金熔體升溫到650°C~700°C，然后進(jìn)行超聲處理。其它與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:步驟三中所述的超聲處理為將超聲桿伸入合金熔體液面下IOmm~40mm進(jìn)行超聲處理。其它與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是:步驟四中所述的將步驟三超聲處理后的混合熔體澆注到溫度為350°C~450°C的模具中，并在IOOMPa~120MPa的壓力下凝固。其它與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。 [0034]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是:步驟四中所述的將步驟三超聲處理后的混合熔體澆注到溫度為400°C的模具中，并在IOOMPa的壓力下凝固。其它與【具體實(shí)施方式】一至九之一相同。
[0035]通過以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0036]實(shí)施例一:
[0037]本實(shí)施例高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0038]一、將石墨烯納米片和Zn粉混合，將混合后的粉末用鋼球和鋼球罐于300r/min的速度下球磨8h后(至石墨烯納米片在Zn粉表面均勻分散)，取出備用，其中GnpOZn復(fù)合粉末中Zn粉與Gnp的質(zhì)量比為15:1 ;
[0039]二、將步驟一得到的復(fù)合粉末加入到半固態(tài)的鎂鋅合金中，于600°C下機(jī)械攪拌IOmin (至Gnp在合金熔體中初步分散均勻)，得到半固態(tài)合金熔體，其中鎂鋅合金中鋅的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，Gnp在半固態(tài)合金熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3% ；
[0040]三、攪拌完畢后，將步驟二得到的半固態(tài)合金熔體升溫到700°C至液態(tài)，然后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為500w，超聲時(shí)間為5min，促進(jìn)Gnp的分散并改善Gnp與鎂合金的潤濕性；
[0041]四、將步驟三超聲處理后的液態(tài)合金熔體澆注于已預(yù)熱到450°C的模具中，并在IOOMPa的壓力下凝固，即得高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
[0042]本實(shí)施例制備的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的SEM圖如圖1所示，圖中位于基底的較大片狀物為Zn粉，分布在基底Zn粉上的較小片狀物為Gnp。由圖1可見，Gnp在基底Zn粉上呈現(xiàn)出均勻分布，實(shí)現(xiàn)了 Gnp的加入和均勻分散。
[0043]實(shí)施例二:[0044]本實(shí)施例高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0045]一、將石墨烯納米片和Zn粉混合，將混合后的粉末用鋼球和鋼球罐于350r/min的速度下球磨IOh后(至石墨烯納米片在Zn粉表面均勻分散)，取出備用，其中GnpOZn復(fù)合粉末中Zn粉與Gnp的質(zhì)量比為13.5:1 ；
[0046]二、將步驟一得到的復(fù)合粉末加入到半固態(tài)的鎂鋅合金中，于590°C下機(jī)械攪拌15min (至Gnp在合金熔體中初步分散均勻)，得到半固態(tài)合金熔體，其中鎂鋅合金中鋅的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，Gnp在半固態(tài)合金熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2% ；
[0047]三、攪拌完畢后，將步驟二得到的半固態(tài)合金熔體升溫到670°C至液態(tài)，然后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為600w，超聲時(shí)間為7.5min,促進(jìn)Gnp的分散并改善Gnp與鎂合金的潤濕性；
[0048]四、將步驟三超聲處理后的液態(tài)合金熔體澆注于已預(yù)熱到400°C的模具中，并在120MPa的壓力下凝固，即得高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
[0049]本實(shí)施例制備的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的SEM圖如圖2所示，圖中位于基底的較大片狀物為Zn粉，分布在基底Zn粉上的較小片狀物為Gnp。由圖2可見，Gnp在基底Zn粉上呈現(xiàn)出均勻分布，實(shí)現(xiàn)了 Gnp的加入和均勻分散。
[0050]實(shí)施例三:
[0051]本實(shí)施例高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0052]一、將石墨烯納米片和Zn粉混合，將混合后的粉末用鋼球和鋼球罐于400r/min的速度下球磨12h后(至石墨烯納米片在Zn粉表面均勻分散)，取出備用，其中GnpOZn復(fù)合粉末中Zn粉與Gnp的質(zhì)量比為10:1 ;
[0053]二、將步驟一得到的復(fù)合粉末加入到半固態(tài)的鎂鋅合金中，于580°C下機(jī)械攪拌20min (至Gnp在合金熔體中初步分散均勻)，得到半固態(tài)合金熔體，其中鎂鋅合金中鋅的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，Gnp在半固態(tài)合金熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0% ；
[0054]三、攪拌完畢后，將步驟二得到的半固態(tài)合金熔體升溫到650°C至液態(tài)，然后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為800w，超聲時(shí)間為lOmin，促進(jìn)Gnp的分散并改善Gnp與鎂合金的潤濕性；
[0055]四、將步驟三超聲處理后的液態(tài)合金熔體澆注于已預(yù)熱到350°C的模具中，并在150MPa的壓力下凝固，即得高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
[0056]本實(shí)施例制備的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的SEM圖如圖3所示，圖中位于基底的較大片狀物為Zn粉，分布在基底Zn粉上的較小片狀物為Gnp。由圖3可見，Gnp在基底Zn粉上呈現(xiàn)出均勻分布，實(shí)現(xiàn)了 Gnp的加入和均勻分散。
[0057]以上實(shí)施例表明，不同體積分?jǐn)?shù)的Gnp在基底Zn粉上都呈現(xiàn)出均勻分布，實(shí)現(xiàn)了Gnp的加入和均勻分散。
[0058]以上實(shí)施例證明，本發(fā)明通過Zn粉和Gnp混合球磨使Gnp在Zn粉表面均勻分布，經(jīng)過攪拌復(fù)合超聲波法處理有效的解決了 Gnp在復(fù)合材料中分散不均勻且潤濕性較差的困難。
【權(quán)利要求】
1.高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟: 一、將石墨烯納米片和Zn粉混合,于250r/min~450r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h~12h,得GnpiZn復(fù)合粉末，其中GnpOZn復(fù)合粉末中Zn粉與Gnp的質(zhì)量比為10~15: I ； 二、將步驟一得到的復(fù)合粉末加入到Mg-Zn合金熔體中，于530°C~630°C下攪拌IOmin~20min,其中Mg-Zn合金熔體中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~6%, Gnp在混合后的合金熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%~3% ； 三、將步驟二得到混合后的合金熔體升溫到650°C~750°C，然后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為500w~800w，超聲時(shí)間為5min~IOmin ； 四、將步驟三超聲處理后的混合熔體澆注到溫度為300°C~500°C的模具中，并在IOOMPa~150MPa的壓力下凝固，即得高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中所述的GnpOZn復(fù)合粉末中Zn粉與Gnp的質(zhì)量比為10~13.5: I。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中所述的球磨采用鋼球和鋼球罐，球料質(zhì)量比為8~15: I。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中所述的于300r/min~400r/min的轉(zhuǎn)速下球磨8h~10h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中所述的Mg-Zn合金熔體中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%~5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中所述的于580°C~600°C下攪拌IOmin~20min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三中所述的將步驟二得到的合金熔體升溫到650°C~700°C，然后進(jìn)行超聲處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三中所述的超聲處理為將超聲桿伸入合金熔體液面下IOmm~40mm進(jìn)行超聲處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟四中所述的將步驟三超聲處理后的混合熔體澆注到溫度為350°C~450°C的模具中，并在IOOMPa~120MPa的壓力下凝固。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高性能石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟四中所述的將步驟三超聲處理后的混合熔體澆注到溫度為400°C的模具中，并在IOOMPa的壓力下凝固。
【文檔編號(hào)】C22C23/04GK103773980SQ201410076577
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】王曉軍, 向抒林, 胡小石, 吳昆
申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)