一種通過石墨烯增強金屬材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種通過石墨烯增強金屬材料的方法，首先將單分散的石墨烯溶液與金屬粉末混合后進行球磨，通過球磨工藝使石墨烯均勻的嵌入到金屬顆粒表面，之后將石墨烯/金屬復(fù)合粉末裝入包套，包套抽真空處理除去石墨烯/金屬復(fù)合粉末中的蒸汽、夾雜氣體等，金屬顆粒不易形成氧化膜，石墨烯與金屬顆粒形成良好的結(jié)合，然后通過熱等靜壓和熱擠壓成型，使石墨烯進一步分散到金屬基體中并形成了有取向的織構(gòu)，起到了明顯增強的效果。本發(fā)明方法簡單易行，使用的是純石墨烯，可以精確的調(diào)節(jié)石墨烯的添加量，同時本發(fā)明實現(xiàn)了石墨烯均勻的分散到金屬基體中，非常適用于制備大尺寸的石墨烯增強金屬材料。
【專利說明】一種通過石墨烯增強金屬材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種通過石墨烯增強金屬材料的方法，屬于復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]石墨烯是一種新型二維納米材料,其強度高達1.0lTpa,是結(jié)構(gòu)鋼的100倍,而密度卻是結(jié)構(gòu)鋼的1/5。在傳統(tǒng)的工藝方法已很難提高金屬材料強度的背景下，石墨烯成為了增強金屬材料的又一重要方向，石墨烯為單分子層或幾個分子層的片狀結(jié)構(gòu)，長度范圍在20μπι~50μπι之間 ，主要的制備方法有物理法和化學(xué)法，目前市場上普遍采用化學(xué)法制備大批量的石墨烯。由于石墨烯密度小，提高金屬材料強度的同時還能降低材料的密度。同時石墨烯還具有超高的電子遷移率(200000cm2/V.S)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率(5000W/m.K)、楊氏模量(IlOOGPa)等優(yōu)異性能，因此將石墨烯復(fù)合到鋁、鈦、鎂等金屬材料中，預(yù)期可以得到輕質(zhì)高強、兼?zhèn)鋵?dǎo)電、導(dǎo)熱等功能特性的結(jié)構(gòu)功能一體化的復(fù)合材料。
[0003]與碳納米管相比，具更大的比強度、比表面積和更低的生產(chǎn)成本，有人預(yù)言石墨烯膜可能成為下一代的電子材料，同時有望代替碳納米管成為未來復(fù)合材料中最理想的填料和增強體。因此，基于石墨烯的復(fù)合材料研發(fā)是石墨烯邁向?qū)嶋H應(yīng)用的一個重要方向。
[0004]由于石墨烯與金屬材料之間的性質(zhì)差異很大，導(dǎo)致石墨烯與金屬基體材料很難復(fù)合成型，目前有關(guān)于石墨烯增強金屬基復(fù)合材料的研究還比較少，如何將石墨烯較精確并均勻的添加到金屬基體中起到強化的效果一直是困擾眾多研究者的難題。
[0005]現(xiàn)有將石墨烯添加到金屬基體中進行強化的方法是采用氧化石墨烯與金屬粉末混合，通過還原處理得到純石墨烯，之后通過冷壓、燒結(jié)等方式配合熱擠或熱壓工藝制備出金屬基復(fù)合材料。上述制備方法存在以下不足之處:(1)采用的是氧化石墨烯添加，之后通過還原處理得到純石墨烯，石墨烯的添加量不易控制；(2)對于易氧化的金屬粉末，冷壓、燒結(jié)等方式?jīng)]能完全除去氧氣，金屬顆粒表面易氧化形成氧化膜，不利于石墨烯與金屬顆粒的良好結(jié)合，影響復(fù)合材料的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計提供了一種通過石墨烯增強金屬材料的方法，該方法首先通過超聲振蕩的方式制備出單分散石墨烯溶液，將單分散的石墨烯溶液與金屬粉末混合后進行球磨，使石墨烯通過球磨的方式均勻的鑲嵌到金屬顆粒表面，然后經(jīng)粉末冶金工藝進行致密化處理，最后采用熱擠壓工藝，得到石墨烯增強的金屬棒材或板材。
[0007]該種通過石墨烯增強金屬材料的方法的具體步驟是:
[0008]⑴將5g的石墨烯加入到495ml酒精溶液中，利用超聲細胞粉碎儀制備出石墨烯溶液，超聲細胞粉碎儀的工作時間超過30分鐘；
[0009]⑵將1000g的金屬粉末與步驟⑴配制的100mL~2000ml石墨烯溶液均勻混合，混合后裝入到球磨灌中，進行機械球磨，球磨時間超過24小時；[0010]通過球磨將片狀的石墨烯嵌入到金屬粉末顆粒的表面，形成比較好的結(jié)合，使石墨烯與金屬粉末更均勻的混合，石墨烯能更均勻的分散到基體表面中，球磨工藝還可以使晶粒細化，提聞了金屬的性能；
[0011]⑶球磨結(jié)束后將混合物取出，裝入到燒杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯/金屬復(fù)合粉末；
[0012]⑷將石墨烯/金屬復(fù)合粉末裝入到包套中，裝入粉末的同時進行振蕩，提高松裝密度；
[0013](5)對包套抽真空處理，抽真空的同時進行加熱，除去石墨烯/金屬復(fù)合粉末中的蒸汽、夾雜氣體等，避免金屬粉末氧化不易成型，當(dāng)真空度達到1.0 X IO-3Pa時，然后將包套焊接密封；
[0014](6)將包套進行熱等靜壓處理，使包套中的石墨烯/金屬復(fù)合粉末成型，得到密實的石墨烯增強金屬復(fù)合材料；
[0015](7)將石墨烯增強金屬復(fù)合材料料進行熱擠壓成型，制備出石墨烯增強的金屬棒材或板材。
[0016]本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果是:
[0017]第一，大多數(shù)研究者添加的是氧化石墨烯，制備過程中還需進行還原處理，因此石墨烯的添加量很難得到精確控制，本發(fā)明直接使用純石墨烯粉末添加，有利于精確控制石墨稀的添加量；
[0018]第二，本方法采用超聲振蕩的方式制備出單分散石墨烯均勻溶液，單分散石墨烯均勻溶液易于與金屬粉末均勻復(fù)合；
[0019]第三，本發(fā)明采用球磨的方式將石墨烯與金屬粉末復(fù)合，通過高速的球磨珠將片狀的純石墨烯嵌入到金屬粉末顆粒的表面，形成比較好的結(jié)合，同時通過高速球磨使石墨烯與金屬粉末更均勻的混合，石墨烯分散性可以得到保證；
[0020]第四，本發(fā)明通過熱擠壓成型，使石墨烯進一步分散并形成有取向的織構(gòu)，有利于發(fā)揮石墨烯的增強效果；
[0021]第五，將石墨烯/金屬復(fù)合粉末裝入包套，包套抽真空的同時加熱，除去石墨烯/金屬復(fù)合粉末中的蒸汽、夾雜氣體等，使金屬顆粒不易形成氧化膜，石墨烯與金屬顆粒形成良好的結(jié)合；
[0022]第六，本發(fā)明工藝簡單，易于實現(xiàn)大批量大尺寸的石墨烯增強材料的制備，降低生產(chǎn)成本，具有優(yōu)異的工程應(yīng)用前景。
【具體實施方式】
[0023]以下將結(jié)合實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步地詳述:
[0024]實施例1
[0025]該種通過石墨烯增強金屬材料的方法的步驟是:
[0026]⑴將5g的石墨烯加入到495ml酒精溶液中，利用超聲細胞粉碎儀制備出石墨烯溶液，超聲細胞粉碎儀的工作時間超過30分鐘；
[0027]⑵將1000g的鋁合金粉末與步驟⑴配制的500ml~1000ml石墨烯溶液均勻混合,混合后裝入到球磨灌中，并向球磨罐中加入適量的酒精,使混合溶液體積達到球磨罐的2/3，然后進行機械球磨，球磨時間超過24小時；
[0028]⑶球磨結(jié)束后將混合溶液取出，裝入到燒杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯/鋁合金復(fù)合粉末；
[0029]⑷將石墨烯/招合金復(fù)合粉末裝入到純招包套中，包套尺寸為Φ70ι?πιΧ80πιπι,裝入粉末的同時進行振蕩，松裝量不低于1.6g/cm3 ；
[0030](5)對包套抽真空處理，抽真空的同時進行加熱，加熱溫度為480°C，當(dāng)真空度達到1.0X10_3Pa時，將包套焊接密封；
[0031](6)將包套進行熱等靜壓處理，使包套中的石墨烯/鋁合金復(fù)合粉末成型，得到密實的石墨烯增強鋁合金復(fù)合材料，熱等靜壓的溫度為480°C，壓力為llOMpa，時間為2小時；
[0032](7)熱等靜壓后使用線切割、車加工等方式去除包套，將石墨烯增強鋁合金復(fù)合材料料進行熱擠壓成型，制備出石墨烯增強的鋁合金棒材，擠壓溫度為440°C~480°C，制備出Φ 12mm的石墨烯增強的招合金棒材。
[0033]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法解決了石墨烯與金屬基體難以結(jié)合的問題，通過本工藝可以較精確的控制石墨烯的添加量，同時通過擠壓變形使石墨烯進一步分散到集體中并形成有取向的織構(gòu)，合金強度顯著提高。本工藝簡單，易于實現(xiàn)大批量大尺寸的石墨烯增強金屬基復(fù)合材料的 制備。
【權(quán)利要求】
1.一種通過石墨烯增強金屬材料的方法，其特征在于:該方法的步驟是: ⑴將5g的石墨烯加入到495ml酒精溶液中，利用超聲細胞粉碎儀制備出石墨烯溶液，超聲細胞粉碎儀的工作時間超過30分鐘； ⑵將1000g的金屬粉末與步驟⑴配制的100mL~2000ml石墨烯溶液均勻混合,混合后裝入到球磨灌中，進行機械球磨，球磨時間超過24小時； ⑶球磨結(jié)束后將混合物取出，裝入到燒杯并放入烘箱中烘干，得到石墨烯/金屬復(fù)合粉末； ⑷將石墨烯/金屬復(fù)合粉末裝入到包套中，裝入粉末的同時進行振蕩，提高松裝密度； (5)對包套抽真空處理，抽真空的同時進行加熱，當(dāng)真空度達到1.0X10-3Pa時，將包套焊接密封； (6)將包套進行熱等靜壓處理，使包套中的石墨烯/金屬復(fù)合粉末成型，得到密實的石墨烯增強金屬復(fù)合材料； ⑴將石墨烯增強金屬復(fù)合材料料進行熱擠壓成型，制備出石墨烯增強的金屬棒材或板材。
【文檔編號】C22C1/05GK103993192SQ201410136468
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】燕紹九, 楊程, 洪起虎, 劉大博, 戴圣龍, 林左鳴 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院