本發(fā)明涉及一種石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

1、石墨烯是一種具有高理論強(qiáng)度和彈性模量的納米材料，根據(jù)復(fù)合材料強(qiáng)化理論，在基體中加入少量的石墨烯即可獲得良好的強(qiáng)化效果。但是近幾年的研究表明，單一的石墨烯可以獲得的強(qiáng)化效果有限，石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度極限已經(jīng)到達(dá)一定瓶頸。

2、由于石墨烯為納米材料具有較高的分散難度，極高的表面能容易造成團(tuán)聚和孔隙。而為了石墨烯的均勻分散一般采用高能球磨等方法，容易造成石墨烯缺陷增加、本征強(qiáng)度降低，同時(shí)也容易造成石墨烯反應(yīng)生成al4c3。另一方面，很多研究人員將石墨烯/鋁的研究重點(diǎn)放在石墨烯和鋁的界面上，期望獲得足夠強(qiáng)的界面以獲得足夠的界面載荷傳遞效果。石墨烯一般采用較低的體積分?jǐn)?shù)，且一般分散在晶界，難以完全分散到基體的各處。即使制備出強(qiáng)界面結(jié)合石墨烯，其僅能在一定區(qū)域內(nèi)發(fā)揮作用。當(dāng)載荷傳遞到基體中時(shí)，微裂紋也會傾向于在未強(qiáng)化的基體中產(chǎn)生，從而繞過石墨烯最終產(chǎn)生宏觀裂紋。因此需要使石墨烯的界面強(qiáng)度和基體強(qiáng)度達(dá)到匹配才能達(dá)到最佳的強(qiáng)化效果。目前為提高基體強(qiáng)度一般采用基體合金化的方法，但是石墨烯的引入總是會導(dǎo)致合金元素發(fā)生偏聚、反應(yīng)行為改變等問題，造成強(qiáng)化效果不理想、甚至性能退化等問題。

3、因此亟需尋找一種提高石墨烯分散效果、提高基體強(qiáng)度、具有協(xié)同強(qiáng)化作用的混雜復(fù)合材料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)納米增強(qiáng)體輔助石墨烯鋁復(fù)合材料的制備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決鋁基復(fù)合材料中石墨烯分散效果差、基體強(qiáng)度與石墨烯強(qiáng)度不匹配的問題，提供了一種納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。

2、本發(fā)明納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

3、一、粉體成分選擇

4、稱取0.1～4wt.％的石墨烯、1～10wt.％的納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體、0.5～3wt.％的控制劑和余量的鋁金屬粉末作為原料；稱取鋁金屬塊體，鋁金屬塊體和鋁金屬粉末的重量比為(3～10)：1；鋁金屬粉末和鋁金屬塊體材質(zhì)相同；所述控制劑為硬脂酸；

5、二、分散工藝

6、將稱好的石墨烯、納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體、控制劑和鋁金屬粉末放入球磨罐中，依次進(jìn)行長時(shí)均勻分散球磨和短時(shí)高能球磨，在高能球磨中納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體可以撞擊石墨烯并使石墨烯分層和破碎，達(dá)到更均勻的分散效果，高能球磨也能使鋁金屬粉末不斷冷焊和破碎，從而使納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體進(jìn)入鋁基體的晶粒內(nèi)部；球磨后進(jìn)行過篩，得到復(fù)合材料預(yù)制粉體；控制劑起到調(diào)控球磨能量大小的作用；

7、三、預(yù)制粉體的預(yù)成型

8、將復(fù)合材料預(yù)制粉體裝入冷壓模具中進(jìn)行冷壓，得到石墨烯-納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體-鋁預(yù)制體；將模具放入加熱爐中，充入氮?dú)夂笤?00℃加熱，使控制劑充分反應(yīng)和揮發(fā)；

9、四、鋁金屬浸滲

10、將步驟一中稱取的鋁金屬塊體放入浸滲爐的爐腔底部的石墨模具內(nèi)，將步驟三得到的石墨烯-納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體-鋁預(yù)制體置于浸滲爐的爐腔上部，加熱真空浸滲爐，將預(yù)制體以3～10℃/min加熱到560～650℃，保溫0.5～3h；將步驟一稱取的鋁金屬塊體加熱至780～880℃并保溫0.5～2h得到熔融的鋁金屬；將預(yù)熱的石墨烯-納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體-鋁預(yù)制體浸入熔融的鋁金屬內(nèi)部后停止加熱，待自然冷卻后得到高致密的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠；

11、五、大塑性變形處理以及成分均勻化

12、將步驟四中得到的高致密的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠依次進(jìn)行大塑性變形處理和成分均勻化處理，得到納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，即完成。

13、本發(fā)明原理及有益效果：

14、1、本發(fā)明通過在石墨烯和鋁粉的球磨過程中引入第二種硬質(zhì)的納米增強(qiáng)體，在球磨過程中相當(dāng)于納米級的磨球，球磨過程中不斷碰撞石墨烯片，在破碎、減薄和分散石墨烯方面達(dá)到了遠(yuǎn)超常規(guī)毫米級球磨球的效果，實(shí)現(xiàn)石墨烯的高品質(zhì)分散，提高了石墨烯的強(qiáng)化效率。

15、2、本發(fā)明引入的納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體可以增強(qiáng)磨球和鋁粉之間的摩擦，增大了球磨能量。一般粉末冶金法追求將增強(qiáng)體分散在鋁粉表面，本發(fā)明由于較大的球磨能量，使得鋁粉冷焊-破碎不斷循環(huán)，更有利于實(shí)現(xiàn)石墨烯和納米硬質(zhì)增強(qiáng)體進(jìn)入鋁粉內(nèi)部甚至鋁晶粒內(nèi)部，一定程度增加了增強(qiáng)體可分散的范圍，大大提高了分散效果。

16、3、本發(fā)明通過將納米硬質(zhì)增強(qiáng)體引入基體晶粒內(nèi)部，在基體中發(fā)揮額外第二相強(qiáng)化作用。位錯在滑移過程中遇到石墨烯，由于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致位錯容易被吸收，而遇到硬質(zhì)的納米增強(qiáng)體，僅能通過繞過機(jī)制滑移，因此本發(fā)明硬質(zhì)納米增強(qiáng)體的引入增加了基體的位錯密度，提高了加工硬化率。

17、4、本發(fā)明通過引入納米硬質(zhì)增強(qiáng)體抑制熱處理過程的晶粒長大。一般的當(dāng)可熱處理基體鋁合金的固溶處理時(shí)的溫度高于500℃，在此溫度下晶粒會迅速長大。本發(fā)明引入額外的納米增強(qiáng)體來釘扎晶界，抑制晶粒的長大過程，獲得更強(qiáng)的細(xì)晶強(qiáng)化效果。

18、5、本發(fā)明制備的復(fù)合材料中，石墨烯的缺陷可控，沒有與鋁發(fā)生反應(yīng)。通過球磨工藝的調(diào)控，沒有引入過多的缺陷，石墨烯結(jié)構(gòu)完整不易與鋁發(fā)生反應(yīng)生成有害金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)了石墨烯與鋁的高品質(zhì)復(fù)合。良好的界面和更強(qiáng)的基體實(shí)現(xiàn)了載荷傳遞效果的進(jìn)一步突破。

19、6、本發(fā)明制備的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了零維和二維、可變性和剛性增強(qiáng)體的配合，零維的剛性增強(qiáng)體在變形中使位錯增殖，二維的可變性石墨烯吸收位錯協(xié)調(diào)基體變形，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的綜合提高，獲得了協(xié)同增效的效果，并且制備工藝簡便、參數(shù)可控、成本較低、性能優(yōu)異，對比目前的石墨烯/鋁制備工藝實(shí)現(xiàn)了突破。

技術(shù)特征：

1.一種納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述石墨烯為少層石墨烯，平均片徑為100nm～10μm，平均厚度為0.3～20nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所屬納米級硬質(zhì)增強(qiáng)體為納米碳化硼、納米碳化鈦、納米氧化鋁、納米氧化硅、納米氮化硅或納米碳化硅，平均粒徑為10～1000nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述鋁金屬為al-si合金、al-cu合金、al-mg合金、al-si-cu合金、al-si-mg合金、al-cu-mg合金、al-zn-cu合金、al-zn-mg-cu合金、al-be合金、al-li合金、al-si-cu-mg合金中的一種或其中幾種的組合；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述冷壓工藝為：在加壓速度為0.1～10mm/min下向混合粉末加壓至5～15mpa并保壓10～30min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟四所用浸滲爐內(nèi)氣氛為真空、氮?dú)鈿夥?、空氣氣氛之一?/p>

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟五所述大塑性變形處理為擠壓、軋制、鍛造變形處理。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述擠壓變形處理或軋制處理的溫度為400℃～500℃，變形比為(7～50)：1。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟五所述成分均勻化處理的溫度為450℃～550℃，時(shí)間為1～6h。

技術(shù)總結(jié)
一種納米增強(qiáng)體輔助石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，涉及一種石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。為了解決鋁基復(fù)合材料中石墨烯分散效果差、基體強(qiáng)度與石墨烯強(qiáng)度不匹配的問題。本發(fā)明引入納米顆粒，在球磨過程中破碎、減薄和分散石墨烯達(dá)到了遠(yuǎn)超常規(guī)毫米級球磨球的效果，輔助石墨烯在基體中的分散；并且通過將納米增強(qiáng)體引入基體晶粒內(nèi)部，在基體中發(fā)揮彌散強(qiáng)化作用，增強(qiáng)了基體的強(qiáng)度，基體強(qiáng)度與石墨烯強(qiáng)度匹配，在載荷傳遞中發(fā)揮更好的效果。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了零維和二維、可變性和剛性增強(qiáng)體的配合，獲得了協(xié)同增效的效果，并且制備工藝簡便、參數(shù)可控、成本較低、性能優(yōu)異，對比目前的石墨烯/鋁制備工藝實(shí)現(xiàn)了突破。

技術(shù)研發(fā)人員：孫金鵬,鞠渤宇,奚鵬飛,修子揚(yáng),楊文澍,王平平,武高輝,姜龍濤,張強(qiáng),陳國欽,康鵬超,衛(wèi)增巖,喬菁
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30