[發(fā)明專利]一種氧化石墨烯增強鈦基復(fù)合材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2019-02-14
• 公開（公告）號: CN109609806B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉許旸;劉經(jīng)奇;韋良曉;胡寧;呂學(xué)偉;吳小龍
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/05;B22F1/00;B22F3/14
• 代理公司: 重慶大學(xué)專利中心 50201
• 代理人: 唐開平

本發(fā)明提供了一種氧化石墨烯增強鈦基復(fù)合材料及其制備方法，復(fù)合材料包括金屬鈦和氧化石墨烯，氧化石墨烯與鈦粉的質(zhì)量比為0.01~0.05:1。制備方法為：利用改進的Hummers方法制備獲得氧化石墨烯溶液，利用無水乙醇稀釋到一定的濃度；將鈦粉和稀釋后的氧化石墨烯溶液在超聲分散的作用下制備獲得含鈦粉的氧化石墨烯溶液，將其在真空干燥箱中干燥，獲得鈦粉和氧化石墨烯的復(fù)合粉體；將復(fù)合粉體置入熱壓燒結(jié)爐的石墨模具中，在氬氣保護環(huán)境中保溫保壓燒結(jié)獲得氧化石墨烯增強鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明利用氧化石墨烯作為增強體，能有效改善增強體在基體中的團聚問題，提高增強體在基體中的百分比含量，從而最大限度地改善基體的力學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化石墨烯增強鈦基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鈦基復(fù)合材料具備低密度、高比強度、高比模量以及優(yōu)異的高溫性能等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在航天航空、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，被認為是未來結(jié)構(gòu)材料和功能材料的不二之選。通常選擇低密度、高熔點、高強度的增強體對提高鈦基復(fù)合材料的性能至關(guān)重要。目前鈦基復(fù)合材料中的增強體種類主要是以TiB、TiC、Al₂O₃、B₄C、TiN、ZrB₂等陶瓷顆粒增強體以及SiC等纖維增強體為主。增強相的體積分數(shù)一般在10-20%。然而，陶瓷顆粒增強體本身硬度和脆性偏大，不僅不能改善基體的韌性，反而使其降低。由于材料較低的延展率，也使得鈦基復(fù)合材料進一步塑性成型變得十分困難，加工成本也顯著提高。另外，SiC纖維作為增強相雖然能夠顯著提高鈦合金基體的模量等性能，但纖維增強鈦基復(fù)合材料受到以下幾方面因素的限制：一是SiC 纖維與鈦基體熱膨脹系數(shù)相差較大，容易在制備與服役過程中產(chǎn)生相對較大的熱應(yīng)力；二是存在嚴重的各向異性性能缺陷；三是纖維價格昂貴，制備、加工工藝復(fù)雜，工藝控制相對較難。

近幾年，碳質(zhì)材料包括碳納米管和石墨烯不僅密度低，還具有優(yōu)異的力學(xué)和物理性能引起了廣泛的關(guān)注，被認為是一種鈦基復(fù)合材料理想的增強體材料。目前波音和空客已將石墨烯增強鈦基復(fù)合材料作為重點研發(fā)方向。然而由于碳納米管和石墨烯長徑比大，且碳納米管或石墨烯之間存在較強的范德華力，使其易團聚從而造成對基體性能的改善遠遠達不到預(yù)期的效果。增強體的添加量一般不超過0.5 wt.%。若要大幅度提高基體性能，還需要提高添加量，這又與團聚問題形成了矛盾。這樣嚴重制約了復(fù)合材料性能的提升，成為碳質(zhì)材料增強金屬基復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題。

氧化石墨烯是制備石墨烯過程中產(chǎn)生的一種重要的衍生物，是一種性能優(yōu)異的碳材料，不僅具有高強度、高彈性模量等性能，其結(jié)構(gòu)中含有大量的官能團，被視為親水性物質(zhì)，在水中具有優(yōu)越的分散性。這樣，利用性能優(yōu)越的氧化石墨烯作為增強體可以有效避免其在金屬基體中的團聚問題。因此，為了解決上述問題，本發(fā)明旨在以氧化石墨烯為增強體，鈦金屬作為基體制備復(fù)合材料，并對性能進行檢測。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就提供一種氧化石墨烯增強鈦基復(fù)合材料，它用氧化石墨烯來替代石墨烯或碳納米管作為鈦基復(fù)合材料的增強體，以克服現(xiàn)有以石墨烯或碳納米管為增強體制備過程中易團聚造成材料性能改善不足的問題。本發(fā)明還提供一種氧化石墨烯增強鈦基復(fù)合材料的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種氧化石墨烯增強鈦基復(fù)合材料，包括金屬鈦，還包括氧化石墨烯，氧化石墨烯與鈦粉的質(zhì)量比為0.01~0.05:1

本發(fā)明還提供上述氧化石墨烯增強鈦基復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟1、利用改進的Hummers法制備氧化石墨烯溶液，并用無水乙醇稀釋，得到稀釋后的氧化石墨烯溶液；

步驟2、將上述稀釋后的溶液中所含的氧化石墨烯與鈦粉按質(zhì)量比0.01~0.05:1混合，利用超聲攪拌器超聲分散使兩相均勻分布，得到氧化石墨烯和鈦粉的混合溶液；