[發明專利]一種以多層石墨烯微片為原材料制備石墨烯增強鋁基復合材料的方法

有效

• 申請號: 201710311754.2
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107022691B
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 武高輝;楊文澍;張強;修子揚;姜龍濤;陳國欽;喬菁;康鵬超;芶華松
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/03;C22C21/00;C22F1/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 侯靜

一種以多層石墨烯微片為原材料制備石墨烯增強鋁基復合材料的方法，涉及一種石墨烯增強鋁基復合材料的方法。本發明為了解決目前石墨烯增強鋁基復合材料制備過程中單層或少層石墨烯在鋁基復合材料中的分散難度大和石墨烯增強鋁基復合材料成本高的問題。制備方法：一、稱取多層石墨烯微片、鋁金屬和工業純鋁塊體；二、多層石墨烯微片分散與預制塊成型；三、鋁金屬浸滲；四、大塑性變形處理；五、成分均勻化處理。本發明是以低價格多層石墨烯微片為增強體原材料，因此成本較直接用少層石墨烯為增強體的復合材料明顯降低；制備的石墨烯增強鋁基復合材料綜合性能優異，易于實現產業化生產及應用。本發明適用于制備石墨烯增強鋁基復合材料。

技術領域：

本發明涉及一種石墨烯增強鋁基復合材料的方法。

背景技術：

石墨烯具有高達125GPa的抗拉強度、1TPa的彈性模量和5000W/(m·K)的熱導率，無疑是一種綜合性能優越的、近乎理想的增強體。石墨烯按照層數可分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯(3～10層)和多層石墨烯(層數大于10層，總厚度小于10nm)。目前采用石墨烯來改善樹脂和陶瓷的性能的研究最為活躍，而利用石墨烯增強金屬基，尤其是增強鋁基復合材料的研究相對較少。制備的工藝方法主要是固相法和液相法，固相法包括各種粉末冶金方法、攪拌摩擦焊以及最新的放電等離子燒結(SPS)法等，液相法包括壓力浸滲法等。

單層或5層以內的少層石墨烯的價格是多層石墨烯微片貴幾十至上百倍，高品質的單層石墨烯價格超過100萬元/公斤，而十層以上的多層石墨烯微片的價格低于2500元/公斤；采用單層石墨烯制備石墨烯增強鋁基復合材料的石墨烯的成本約為4000萬元每噸，采用多層石墨烯制備備石墨烯增強鋁基復合材料的成本約為10萬元每噸；采用少層石墨烯制備石墨烯增強鋁基復合材料的石墨烯的成本約為800萬元每噸；

同時單層或少層石墨烯在鋁基復合材料中的分散難度也遠高于多層石墨烯。因此由于高成本和技術限制的原因，目前用于制備石墨烯增強鋁基復合材料的石墨烯原材料主要是多層石墨烯微片。但是石墨烯一個重要的強化機制就是其極大的比表面積，因此多層石墨烯微片對鋁基體的增強效果不如單層或少層石墨烯。需要說明的是，如果采用單層或少層石墨烯作為增強體原材料，由于其分散性的原因，其能加入復合材料的含量較多層石墨烯微片要少很多。因此如何能低成本向鋁合金中引入更多的少層石墨烯，從而顯著提高鋁基復合材料的性能，是目前限制石墨烯在鋁基復合材料中應用的一個主要技術難點。

現有文獻中公開了通過壓力浸滲工藝制備石墨烯/鋁復合材料的方法，但是該文獻中采用了壓力浸滲工藝，其壓力實現方式通過機械裝置的壓頭向下單向加壓，該方式易造成不同方向的施壓不均勻性，另外該文獻中在擠壓和軋制處理過程中，采用的是單一基體，并且是在固相線以下進行變形處理，制備得到的復合材料基體流動性差，最終導致微觀獲得的剪切應力小，石墨烯打開不充分，成品率最高只能達到20％。因此如何低成本、高品質地制備石墨烯增強鋁基復合材料是一個難點。

發明內容：

本發明為了解決目前石墨烯增強鋁基復合材料制備過程中單層或少層石墨烯在鋁基復合材料中的分散難度大和石墨烯增強鋁基復合材料成本高的問題，提出一種以多層石墨烯微片為原材料制備石墨烯增強鋁基復合材料的方法。

本發明以多層石墨烯微片為原材料，將多層石墨烯微片均勻地引入鋁基體中，然后利用大塑性變形的方式，在鋁基體中形成大的剪切應力，并將剪切應力通過界面傳遞到多層石墨烯微片上；由于這個剪切應力大于多層石墨烯微片的層間強度，進而使多層石墨烯微片層沿塑性變形方向發生錯動，使多層石墨烯微片層與層之間錯動打開，多層石墨烯在鋁基體中原位實現少層化，轉變為少層石墨烯，從而獲得高性能的少層石墨烯/鋁復合材料；

本發明以多層石墨烯微片為原材料制備石墨烯增強鋁基復合材料的方法，該方法按以下步驟進行：

一、稱料