本發(fā)明屬于復合材料領域，具體涉及一種用攪拌摩擦工藝制備石墨烯增強鋁基復合材料的方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是由碳原子以sp²軌域組成的六角蜂巢晶格的平面薄膜，是目前最薄、最堅硬的納米材料，具有硬度大、韌性好的特點?？蓱糜趶秃喜牧显鰪?、散熱產(chǎn)品、電容器、生物制藥等領域。近幾年，隨著石墨烯的生產(chǎn)逐漸規(guī)模化及其質(zhì)量和層數(shù)可控性程度的提高，石墨烯復合材料的研究越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注?？蒲腥藛T開始利用熔煉以及粉末冶金的方法嘗試開發(fā)新材料，將富勒烯、碳納米管、石墨烯等納米材料加入基材中形成金屬基復合材料。

金屬基復合材料因其物理化學性能優(yōu)良而被譽為21世紀的新材料。鋁、鎂、鈦和銅是質(zhì)輕且塑性好的基體材料，通常選用碳纖維、玻璃纖維以及sic、sio2、al2o3、tib2和石墨烯等作為強化相引入基體材料中，提高材料的強度、耐腐性和耐磨性。金屬基復合材料以金屬為基材與增強相材料混合而成，兼具了金屬的特性和增強相材料的優(yōu)點，然而，由于石墨烯密度小、分散性差、熔態(tài)下與熔融金屬界面張力不同而造成界面反應，使復合材料中增強相容易出現(xiàn)分布不均，使復合材料的制備工藝復雜化且成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種用攪拌摩擦工藝制備石墨烯增強鋁基復合材料的方法，把無電鍍銅sic顆粒上生長的石墨烯添加到6061-t651鋁合金中，從而提高石墨烯增強相與金屬基材的接合性能，提高復合材料的力學性能。石墨烯增強鋁基復合材料主要適用于賽車、高速列車、航空航天、人造衛(wèi)星和空間站等領域。

一種用攪拌摩擦工藝制備石墨烯增強鋁基復合材料的方法，以鋁合金為基材，以無電鍍銅石墨烯為增強材料，通過攪拌摩擦工藝制備而成，具體步驟如下：

1）無電鍍銅石墨烯的制備：通過化學氣相沉積法，在無電鍍銅sic顆粒表面上生長石墨烯，制備無電鍍銅石墨烯，備用；

2)鋁合金板預處理：取兩塊側(cè)面相互配合的鋁合金板，作為料板a和料板b，并在其中一塊鋁合金板側(cè)面加出工一道凹槽，凹槽即為增強材料的進料槽；

3）鋁合金板填入增強材料：將步驟1）得到的無電鍍銅石墨烯增強材料填入進料槽，然后將兩塊料板配合、固定；

4）摩擦攪拌加工：啟動摩擦攪拌裝置，攪拌針按攪拌頭轉(zhuǎn)速開始旋轉(zhuǎn)，將攪拌針對準料板a與料板b的對接縫，由攪拌頭提供向下的壓力，使得攪拌針旋轉(zhuǎn)進入待加工區(qū)，攪拌針完全進入對接縫后，令攪拌頭按進給速度沿對接縫進行攪拌摩擦加工，得到攪拌區(qū)，攪拌區(qū)材料即為制備的石墨烯增強金屬基復合材料。

所述步驟1）中的無電鍍銅sic顆粒，在通入氫氣、以甲烷為生長源保持1pa條件下，通過化學氣相沉積法，制備無電鍍銅石墨烯。

所述步驟2）中的凹槽的橫截面積占待加工區(qū)總橫截面積的20%~30%，其中，待加工區(qū)橫截面積為攪拌針的橫截面積。

所述步驟4）中利用攪拌頭進行加工時，攪拌頭轉(zhuǎn)速為800~1200rpm，進給速度為0.5~2.0mm/s，攪拌頭旋轉(zhuǎn)軸向進給的反方向傾斜1~5°。。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過摩擦攪拌工藝，將鋁合金與無電鍍銅石墨烯均勻混合，制得的石墨烯增強鋁基復合材料克服了石墨烯密度小、分散性差、熔態(tài)下與熔融金屬界面張力不同而易出現(xiàn)分布不均的缺點，制備的石墨烯增強鋁基復合材料力學性能優(yōu)良。本發(fā)明具有工藝簡單、加工成本低、石墨烯分散效果好的特點，石墨烯增強鋁基復合材料適用于賽車、高速列車、航空航天、人造衛(wèi)星和空間站等領域。

附圖說明

圖1為實施例使用的無電鍍銅石墨烯的sem照片；

圖2為實施例中攪拌摩擦設備所用攪拌頭照片；

圖3為攪拌摩擦工藝示意圖；

圖4為對制備的石墨烯增強鋁基復合材料上所選區(qū)域一的sem-eds分析照片；

圖5為對制備的石墨烯增強鋁基復合材料上所選區(qū)域二的sem-eds分析照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于以下實施例。

實施例1

基材為6061-t651鋁合金，外形尺寸240mm×60mm×6mm，基材化學成分中si、fe、cu、mn、mg、cr和al的質(zhì)量含量分別為0.478%、0.8%、0.284%、0.148%、0.968%、0.277%和94%，其余為其他成分，其硬度和楊氏模量分別為1.58gpa和86.45gpa。

采用的無電鍍銅石墨烯增強材料，在通入氫氣、以甲烷為生長源保持1pa條件下，通過化學氣相沉積法在無電鍍銅sic顆粒表面上生長的石墨烯，其sem形貌如圖1所示。

采用的攪拌摩擦設備由普通銑床改進而成，選用左旋螺紋攪拌頭，攪拌針長度、直徑和螺紋節(jié)距分別為5mm、6mm和1mm，軸肩直徑為20mm，如圖2所示，材料為skd61合金鋼。

具體加工步驟如下：

1）利用化學氣相沉積法，在無電鍍銅sic顆粒的鍍銅層上制備石墨烯；

2）取兩塊基材，并在其中一塊鋁材橫截面處加工一道凹槽，如圖3所示，凹槽橫截面尺寸為0.56×3mm；

3）將石墨烯增強顆粒填入凹槽，板料對接固定方式如圖3所示；

4）最后沿對接縫進行攪拌摩擦加工，形成圖3所示的攪拌區(qū)，攪拌區(qū)材料即為石墨烯增強金屬基復合材料。利用攪拌頭進行加工時，攪拌頭轉(zhuǎn)速1000rpm、進給速度1.2mm/s、攪拌頭旋轉(zhuǎn)軸向進給的反方向傾斜1~5°，環(huán)境溫度保持30℃左右

實施例2

對實施例1制備的石墨烯增強鋁基復合材料納米壓痕測試，分別測試增強顆粒分散區(qū)和增強顆粒聚集區(qū)，測試結(jié)果如表1所示，表1為石墨烯增強鋁基復合材料的納米壓痕測試結(jié)果。

由表1可見，該復合材料的硬度和楊氏模量波動小，且平均值較高。實驗結(jié)果顯示，本發(fā)明制備的石墨烯增強鋁基復合材料提高了增強效果，該復合材料的硬度和楊氏模量平均值分別為基材的136.1%和109%。

實施例3

對實施例1制備的石墨烯增強鋁基復合材料進行掃描電鏡和eds分析，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)顆粒外層存在明亮的包覆層，eds分析圖中點1和點2處，確認cu元素仍包覆在顆粒上。對另一區(qū)域的點1和點2處進行檢測，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)顆粒周圍似乎有銅膜擴散跡象，eds分析顆粒及周圍發(fā)現(xiàn)皆有cu元素，表示cu可能已經(jīng)從顆粒擴散至基材，此處也含有si和c元素。sem-eds分析結(jié)果顯示，無電鍍銅石墨烯顆粒攪拌進入鋁基材后，銅鍍層擴散到sic顆粒周圍，使顆粒與基材牢固聯(lián)接，有效解決了石墨烯密度小、分散性差、熔態(tài)下與熔融金屬界面張力不同而易出現(xiàn)分布不均的缺點。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種用攪拌摩擦工藝制備石墨烯增強鋁基復合材料的方法，以鋁合金為基材，以無電鍍銅石墨烯為增強材料，通過攪拌摩擦工藝制備而成，包括以下步驟：1）無電鍍銅石墨烯的制備；2)?鋁合金板預處理；3）鋁合金板填入增強材料；4）摩擦攪拌加工。本發(fā)明通過摩擦攪拌工藝，將鋁合金與無電鍍銅石墨烯均勻混合，制得的石墨烯增強鋁基復合材料克服了石墨烯易出現(xiàn)分布不均的缺點。本發(fā)明具有工藝簡單、加工成本低、石墨烯分散效果好的特點，制備石墨烯增強鋁基復合材料的適用于賽車、高速列車、航空航天、人造衛(wèi)星和空間站等領域。

技術(shù)研發(fā)人員：劉守法
受保護的技術(shù)使用者：西京學院
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.22
技術(shù)公布日：2017.07.04