[發明專利]一種石墨烯增強鎂復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201910850452.1
• 申請日: 2019-09-09
• 公開（公告）號: CN110760709B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 李海鵬;孫雪宇;李超杰;戴西斌;趙利新;王加義;縱榮榮;余國剛
• 申請（專利權）人: 河北工業大學;天津金力研汽車工程技術有限公司
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;C22C23/00;C22C32/00;C23C18/52;B22F1/02
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 張穎顥

1.一種石墨烯增強鎂復合材料的制備方法，其特征在于，該方法以納米級厚度的石墨烯片層為形核中心，在均勻體系中通過氧化還原反應，原位合成出金屬鎂顆粒對石墨烯片層進行包覆，并在包覆完全后繼續以表面鎂顆粒為新的形核中心堆垛生長，最終形成微米片層得到鎂包覆石墨烯復合粉末，然后通過放電等離子燒結制備石墨烯增強鎂復合材料；

所述鎂包覆石墨烯復合粉末中石墨烯質量百分含量為0.05～11.56%，所述石墨烯增強鎂復合材料中石墨烯保持原始片層結構；

所述制備方法采用四氫呋喃作為有機溶劑，聯苯作為電子載體，鉀粉作為還原劑，甲基溴化鎂的二甲基四氫呋喃溶液作為鎂源，氬氣作為保護氣氛，具體包括以下步驟：

第一步，制備鎂包覆石墨烯復合粉末：

（1）石墨烯分散液的制備：將石墨烯粉末加入到四氫呋喃中，獲得石墨烯的懸濁液，其質量濃度為2×10^-5～2×10^-3g/mL，使用超聲分散儀對上述懸濁液進行超聲處理，得到石墨烯在四氫呋喃中均勻分散的分散液，

（2）鎂包覆石墨烯前驅液的制備：將步驟（1）得到的分散液置于充滿高純氬氣的手套箱中，向分散液中加入聯苯和粒徑為20～90μm的金屬鉀粉，其中聯苯與石墨烯的質量比為8～200:1，金屬鉀粉與石墨烯的質量比為64.4～2460.1:1，同時使用位于手套箱中的電熱磁力攪拌器對上述分散液攪拌均勻，然后使用分液漏斗以5～40mL/h的流速向上述分散液中加入濃度為3.4mol/L的甲基溴化鎂的二甲基四氫呋喃溶液，加入的甲基溴化鎂的二甲基四氫呋喃溶液與四氫呋喃的體積比為0.2～0.48:1，而后繼續攪拌均勻，

（3）鎂包覆石墨烯復合粉末的制備：將步驟（2）得到的最終分散液倒入離心管后從手套箱中取出，使用高速離心機在轉速為6000～10000r/min的條件下離心5～30min，將離心后的離心管放入充滿高純氬氣的手套箱中，去除上清液，向存留沉淀物的離心管中再次加入四氫呋喃以洗滌沉淀物，重復上述離心、去除上清液和洗滌沉淀物操作三次后，將離心管中洗滌后的沉淀物置于60～120℃的真空干燥箱干燥1～6h，最終得到石墨烯質量百分含量為0.05～11.56%的鎂包覆石墨烯復合粉末；

第二步，制備石墨烯增強鎂復合材料：

（4）鎂包覆石墨烯復合粉末的燒結成型：將第一步制得的鎂包覆石墨烯復合粉末放入石墨模具中，將石墨模具放入放電等離子燒結裝置的燒結爐中，在氬氣保護氣氛下對石墨模具施加壓制壓力10～50MPa，達到預定壓制壓力后在壓力保持不變的情況下以20～100℃/min的升溫速率將燒結爐腔體溫度升至450～580℃并保持3～12min，燒結完成后燒結爐腔體冷卻至室溫，而后從石墨模具中取出得到的圓柱形石墨烯增強鎂復合材料；

（5）熱擠壓：將所述圓柱形石墨烯增強鎂復合材料放入擠壓比為4～32:1的熱擠壓模具中，將熱擠壓模具在300～500℃下預熱10～60min后放入熱擠壓設備，在擠壓壓強300～1200MPa條件下進行熱擠壓，之后使熱擠壓得到的棒材自然冷卻到室溫，制得石墨烯增強鎂基復合材料，其延伸率達到11.3～19.8%，顯微硬度達到HV68.6～89.4、抗拉強度達到306.2～392.3MPa。

2.根據權利要求1所述的石墨烯增強鎂復合材料的制備方法，其特征在于，所述得到的鎂包覆石墨烯復合粉末中石墨烯的含量為0.25～1.0%，所得到的鎂包覆石墨烯復合粉末結構為微米片層，其厚度為1.0~3.8μm，且該厚度與石墨烯的含量成反比例關系。

3.根據權利要求1所述的石墨烯增強鎂復合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟（1）中超聲分散儀的頻率為10～50kHz，超聲處理時間為0.5～3h；所述的步驟（2）中電熱磁力攪拌器的攪拌溫度為10～80℃、轉速為300～600r/min，攪拌時間為5～30min；所述步驟（2）中加入甲基溴化鎂的二甲基四氫呋喃溶液后繼續攪拌1～6h。

4.根據權利要求1所述的石墨烯增強鎂復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（4）中氬氣保護氣氛的獲得方式為，先對燒結爐腔體抽真空至-10～-0.1Pa，然后通入流速為30～300mL/min的氬氣。