[發明專利]一種石墨烯/鎳基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610214710.3
• 申請日: 2016-04-08
• 公開（公告）號: CN105838913B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 王鵬鵬;毛琳;陳樂生;沈敏華
• 申請（專利權）人: 上海和伍復合材料有限公司
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/05;C22C19/03
• 代理公司: 暫無信息
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技術領域

本發明屬于金屬基復合材料及其制備技術領域，具體地說，是一種石墨烯增強鎳基復合材料及其制備方法。

背景技術

鎳及鎳合金具有良好的力學、物理和化學性能。鎳基復合材料在能源開發、化工、電子，尤其在航空航天領域中，具有不可替代的用途。隨著航空業對于材料的性能的日益增長的需求，鎳基復合材料也在不斷被研發和使用，逐漸代替在航空業上鎳基高溫合金的部分位置。

鎳基復合材料按照增強體類型的不同分為非連續相和連續相增強鎳基復合材料，非連續相增強包括短纖維增強、顆粒增強和晶須增強。常見的短纖維增強相有Al₂O₃、C、BN等，一般為幾毫米的長度，大部分增強相無規則分布在基體中。常見的顆粒增強相主要有SiC、Al₂O₃、TiC等，大約在幾個微米和幾十個微米之間，通常以粉末形態加入到金屬基體中。常用的晶須增強相主要有SiC、Al₂O₃等陶瓷晶須，直徑基本為0.1～1μm，長度為幾十微米，。連續相增強鎳基復合材料，主要是長纖維增強。由于增強相的排布方向各向異性，決定了復合材料的各向異性。

石墨烯是目前發現的唯一存在的一種由碳原子致密堆積而成的二維蜂窩狀晶格結構的環保型碳質新材料(其厚度通常在10nm以內)，具有超大比表面積(2630m²/g)，是目前已知強度最高的材料(達130GPa)，其載流遷移率高達150,000cm²/Vs，熱導率高達5150W/(m·K)。因此，如能將石墨烯的優異性能引入到鎳基復合材料中，將為鎳基復合材料的設計和性能提升帶來巨大影響。

國際上關于石墨烯/金屬復合材料的報道較少，石墨烯密度小、分散性能差以及熔體制備過程中的界面反應問題是制約該類復合材料發展的重要原因。采用傳統熔煉冶金方法獲得石墨烯金屬基復合材料較為困難，只有少數研究者利用不同方法制備出石墨烯增強金屬基復合材料，主要集中鋁、銅、鎂、銀等低溫金屬材料。在高溫結構金屬基復合材料方面，罕有研究報道。

經對現有技術的文獻檢索發現，僅有Zhao等人發表的論文“Enhanced strength in reduced graphene oxide/nickel composites prepared by molecular-level mixing for structural applications”(DOI：10.1007/s00339.014.8908.y)采用化學合成方法制備出氧化石墨烯/鎳復合粉體，再進行成型。結果顯示，含有質量分數為1.5％的石墨烯/鎳復合材料的拉伸強度提高了95.2％，屈服強度提高了327.6％。

目前為止，尚未見采用粉末冶金方法制備石墨烯增強鎳基復合材料的技術。因此，以一種環保、低成本、可控性好、易規模化生產的工藝手段實現高性能石墨烯/鎳復合材料的制備不僅具有重要的科研價值，而且具有廣泛的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯/鎳基復合材料及其制備方法，采用鎳或鎳合金作為基體材料，石墨烯作為增強相，制備出具有抗拉強度高、延伸率好等良好力學性能的石墨烯/鎳復合材料。該方法簡單易操作，工藝可控性好，成本低，易實現規模化生產，所述石墨烯/鎳復合材料組織均勻，性能穩定。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明將鎳或鎳合金粉與氧化石墨烯共同機械球磨混合，機械球磨加入酒精進行濕磨，可避免鎳粉氧化。球磨過程初步得到氧化石墨烯/銅復合粉，再通過還原、粉末冶金、熱擠壓等技術得到石墨烯/銅的復合塊材及復合絲材。本發明所述復合材料石墨烯分散均勻，且基體與增強體界面結合良好，石墨烯/鎳復合材料具有優異的物理性能。本發明工藝簡單，過程易控，易實現規模化生產應用。

本發明提供一種石墨烯/鎳基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

第一步，將鎳或鎳合金粉與氧化石墨烯溶液混合，然后球磨混合，得到鎳或鎳合金粉-氧化石墨烯混合液。

第二步，將前述步驟中得到的鎳或鎳合金粉-氧化石墨烯混合液干燥，得到氧化石墨烯/鎳或鎳合金復合粉體。

第三步，將前述氧化石墨烯/鎳或鎳合金復合粉體預成型，在氣氛保護下熱還原，得到石墨烯/鎳或鎳合金復合粉體。

第四步，將前述石墨烯/鎳或鎳合金復合粉體進行燒結、成型處理，得到石墨烯/鎳基復合材料。

優選地，所述第一步中：所述鎳或鎳合金粉為納米級別或微米級別。