[發明專利]一種納米TiC修飾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: 201910748096.2
• 申請日: 2019-08-14
• 公開（公告）號: CN110331314B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 張法明;張彬
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C32/00;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種納米TiC修飾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，表面修飾了納米TiC的石墨烯作為增強相，并且勻分布在鈦基體顆粒周圍形成網絡狀結構。本發明采用三維機械混合的方法先在鈦基體顆粒表面包覆一層納米TiC，然后包裹一層石墨烯，得到芯部為鈦顆粒，中間層為納米TiC，表層為石墨烯的核?殼結構。該方法克服了傳統濕法球磨中難以實現石墨烯均勻包覆到鈦顆粒表面的問題。納米TiC的存在一定程度上減少了在制備過程中石墨烯與鈦基體的界面反應，經燒結成型得到納米TiC修飾石墨烯增強的鈦基復合材料。該復合材料的強度高，塑性強，成型加工性能良好，可以應用在航空航天及船舶艦艇制造工業。

技術領域

本發明涉及一種納米TiC修飾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

鈦及鈦合金具有比強度、比模量高、耐極端條件環境的特性，可以廣泛應用與于航空航天及汽車工業等領域。在降低能源消耗和提高發動機推重比方面有著相當大的應用潛力。因此鈦基復合材料(TiMCs)的研制對進一步提高鈦合金的性能、拓展鈦合金的應用前景具有重要的意義。目前采用粉末冶金技術制備的非連續鈦基復合材料的(DRTMCs)的最佳增強相是陶瓷材料TiC顆粒或者TiB晶須。但陶瓷材料增強相的彈性模量和斷裂強度都遠不如碳納米管、納米金剛石或石墨烯之類的納米碳增強體。這意味著可以通過納米碳增強體進一步提升鈦基復合材料的力學性能。

石墨烯是繼碳納米管之后非常有發展潛力的納米新材料，其原子經過sp²雜化形成二維六角型蜂巢結構，這使得它比碳納米管更容易分散。石墨烯具有優異的電學、熱學和力學性能，因此在材料、能源、生物等方面具有重要的應用前景，是一種未來革命性材料。目前石墨烯增強鈦基復合材料的報道中只有少數研究者在石墨烯表面進行修飾鎳金屬顆粒(Carbon 137(2018)146-155)，多數研究者將石墨烯直接增強鈦基復合材料(MaterialsScienceEngineering A 687(2017)164-174；Composites Part A 123(2019)86-96；Journal of Alloys and Compounds 765(2018)1111-1118，以及本申請發明人團隊前期的專利CN201810801698.5)。石墨烯直接增強鈦基復合材料面臨著兩大難題，一是石墨烯與鈦基體的潤濕性差，很難實現石墨烯在鈦基體中的可控分布；二是在制備過程中石墨烯容易與鈦基體反應生成TiC。論文報道的石墨烯增強鈦基復合材料多采用超聲震蕩-濕法球磨的方式制備。如張洪梅等人的專利“一種低含量少層石墨烯增強的鈦基復合材料及制備方法”(CN201610228318.4)中，石墨烯粉末與無水乙醇混合攪拌后加入鈦粉形成混合漿料，然后將混合漿料進行球磨并干燥。但濕法球磨往往無法將高比表面積的石墨烯有效均勻地分散在鈦基體表面，這主要是因為石墨烯與鈦基體的結合并不緊密，且石墨烯的密度很小，球磨靜置后容易從鈦基體上脫落并懸浮在料漿表面。

石墨烯在燒結過程中易與鈦基體發生界面反應生成TiC,目前的研究報道中大多采用放電等離子燒結系統(SPS)在低溫高壓的條件下將石墨烯部分保留下來(MaterialsScienceEngineering A 725(2018)541–548)。但采用SPS低溫高壓燒結的復合材料往往不夠致密，力學性能達不到要求，且高壓SPS燒結只能燒結小尺寸的樣品，無法滿足工業化生產。減少石墨烯與鈦基體反應最理想的措施應該是對石墨烯進行表面修飾。鄧春輝等人的專利“一種聚多巴胺修飾石墨烯并在表面固定Ti⁴⁺納米材料的合成方法及其應用”(CN201310077269.5)中用聚多巴胺修飾了石墨烯表面，使材料具有很好的生物相容性和環境穩定性。張春華等人的專利“一種納米銀修飾石墨烯的方法”(CN201410360213.5)中通過銀氨溶液在石墨烯表面修飾了納米銀。因此，目前對石墨烯的修飾多應用在生物醫藥和電化學領域，而在航空航天等領域的鈦基復合材料的應用很少。

發明內容