[發明專利]一種三維網絡狀分布的石墨烯增強鈦基復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810801698.5
• 申請日: 2018-07-20
• 公開（公告）號: CN109022907B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 張法明;王娟;劉騰飛
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/05;C22C32/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 鄭立發

本發明公開了一種三維網絡狀分布的石墨烯增強鈦基復合材料及其制備方法和應用，該復合材料主要是由鈦或鈦合金作為鈦基體，石墨烯作為增強相，在復合材料的微觀結構中，石墨烯均勻分布在鈦基體顆粒周圍形成三維網絡狀結構，即類似于鈦基體顆粒填充于石墨烯三維網絡狀結構的網格中并且完全致密，所形成的石墨烯增強鈦基復合材料。本發明采用交聯反應的方法使石墨烯在鈦基體顆粒表面良好包覆，克服了常規的球磨方法容易引入雜質與難以實現石墨烯均勻包覆的難題，經燒結成型得到三維網絡狀分布的石墨烯增強鈦基復合材料塊體。本發明的復合材料具有高強度和高塑形，具有優異的綜合力學性能，可以應用于航空航天、船舶艦艇等等國防軍工領域。

技術領域

本發明涉及一種三維網絡狀分布的石墨烯增強鈦基復合材料及其制備方法和應用，屬于金屬基復合材料技術領域。

背景技術

鈦與鈦合金具有高強度、低密度、耐熱、耐蝕和成形加工性良好的特性。鈦合金是飛機與航天器的主要結構材料，是航空發動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件的首選材料，也已經被應用于戰術導彈、衛星、運載火箭等航天領域。隨著航空航天事業進一步發展，對鈦合金材料綜合性能提出了更高的要求。同時鈦與鈦合金也具有耐磨性差、硬度低、強度也有待于進一步提高等主要問題。急需新的思路和方法來進一步提高鈦合金的強度、彈性模量、服役溫度、耐磨性，并保持較好的塑性、可加工，獲得優異的綜合性能，滿足航空航天材料的要求。

石墨烯納米材料是繼碳納米管之后的非常有發展潛力的新材料，它具有和碳納米管相近的力學性能，但是它呈二維片狀形貌比碳納米管更加容易分散，而且電學性能優于碳納米管，也具有極高的熱傳導率。目前石墨烯增強鈦基復合材料的報道中只有少數的研究者用氧化石墨烯(Composites Part B 93(2016)352-359)，多數采用還原后的石墨烯(Materials Science&Engineering A 705(2017)153-159；(2017)164–174；Journal ofAlloys and Compounds 696(2017)498-502)。氧化石墨烯，容易增加鈦的含氧量，使鈦的品質下降，不是優選的選擇。制備工藝都是粉末冶金工藝，采用超聲波震蕩-球磨制備復合粉末-燒結成型。而且論文報道的石墨烯增強相的分布方式，都是均勻分散的彌散強化的方式。宋嘉明等的專利“一種石墨烯增強鈦基復合材料的制備方法”(CN201611174423.0)中，石墨烯的分布方式是均勻分散，而且采用球磨工藝進行分散，容易引入鐵等雜質。趙乃勤等的專利“一種原位生長石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法”(CN106521204A)中，石墨烯的添加方式是原位生長，但是分布方式也是均勻分散。弭光寶等的專利“一種石墨烯和鈦合金復合粉末球磨制備方法”(CN107598175A)與“一種石墨烯增強鈦基納米復合材料及制備方法”(CN107557612A)中采用的是氧化石墨烯為原料，球磨工藝進行分散，也是均勻分散。武岳等的專利“石墨烯/鈦合金復合裝甲材料的制備方法及其混合裝置”(CN106566949A)中也是強調的石墨烯的均勻分散。因此專利報道中石墨烯增強相的分布方式都是均勻分散。增強相的分布方式呈均勻分散的的方式，獲得的鈦基復合材料結果都是硬度與強度有一定的提高，但是塑形大幅下降。

三維網狀結構的設計是以仿生結構為出發點，植物的軀干具有輕質高強度的特性，其微觀結構均是三維的網絡狀，即滿足了生物體新陳代謝的功能，又提供了機械強度起到支撐加固作用。增強相呈可控的非均勻分布，可以改善非連續增強鈦基復合材料強度和塑韌性嚴重不協調的矛盾。目前網絡狀的增強相的鈦基復合材料主要是采用原位自生TiB₂等微米尺寸的纖維，如黃陸軍等“一種兩級網狀結構Ti基復合材料及其制備方法”CN104911399B的專利，其中增強體網絡狀分布制備方法主要采用球磨混粉的制備方式，但長時間的球磨會引入鐵等雜質，增加鈦的含氧量，使材料的品質下降，不是理想的網絡分布制備方法。而對于石墨烯等納米尺寸的顆粒的網絡狀分布難度大，現有技術中尚未見可控的網絡狀分布的石墨烯增強鈦基復合材料的報道。

發明內容