[發明專利]一種石墨烯/鋁復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 202010819246.7
• 申請日: 2020-08-14
• 公開（公告）號: CN112387977A
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 葉寅;凌云;謝宇
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: B22F9/06
• 分類號: B22F9/06;B22F3/16
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙) 11491
• 代理人: 趙紅霞

本發明提供了一種石墨烯/鋁復合材料的制備方法，本發明通過預冷壓后再熱壓燒結的過程，能將石墨烯與鋁基體良好地結合，石墨烯/鋁復合材料有良好的致密度；本發明的冷卻過程，采用連續水冷的方式，提高模具內外的冷卻速率，避免了復合材料降溫過程中由于膨脹系數差異較大而產生的缺陷；本發明所制備的石墨烯/鋁復合材料可運用于汽車制造、航空航天等領域。本發明彌補了傳統制備工藝上石墨烯分布不均、球磨過程鋁粉之間的釬焊現象等缺陷。

技術領域

本發明屬于粉末冶金和納米復合材料領域，具體涉及石墨烯鋁基復合材料的制備方法。

背景技術

石墨烯是一種由sp2雜化的碳原子組成的單原子層的新型納米材料，具有強度高、結構穩定、低密度、導熱性強等特點。石墨烯這種優良特性，為改良包括鋁合金再累的多種傳統材料的力學性能、導熱導電性能提供了新的解決途徑。

作為一種普遍的結構材料，鋁合金在家用門窗、汽車制造、航空航天等領域有廣泛的應用，而如何提高鋁合金的強度一直是科研人員研究的主要內容之一。如今，通過改變合金元素成分、調控方式或改變熱處理工藝來提高其強度的技術已日益成熟；而在鋁基體內添加如碳化硅、氮化硼等強化相顆粒雖然可以提高材料的強度，但在材料塑性方面卻大幅度降低。近年來，研究人員通過采用有高強度和高比表面積的石墨烯納米材料，摻雜到鋁合金材料形成石墨烯/鋁基復合材料的方法，既有效的提高了鋁合金的強度，又解決了塑性降低的困惱。

目前，我國關于石墨烯/鋁基復合材料的研究還處于起步階段，其主要難度有以下兩點：其一是如何讓石墨烯均勻的分散在鋁基體內部。目前主要的制備方式有攪拌摩擦加工和粉末冶金+擠壓法。對于前者，雖然實現了石墨烯在基體內的良好分布性，但僅限于攪頭所經過的區域，這種技術對原料的浪費較大。粉末冶金+擠壓法是目前絕大多數研究人員采用的方法，其主要步驟是先將石墨烯與鋁基體粉末混合均勻，再通過擠壓成型、高溫燒結的方式制成復合材料。在混合粉末方面，目前通常采用的方式是真空球磨，但是其缺點在于：對于顆粒較小的鋁基粉末，在抽真空的過程中，鋁粉由于比重輕極易堵塞真空系統；而對于顆粒較大的鋁基粉末，在球磨機高速運轉的過程中，鋁粉之間極易釬焊現象。有文獻指出將石墨烯和鋁粉混于乙醇溶液中球磨的方法，但在實際操作中，球磨管內的溫度難以控制，乙醇在球磨的過程中受熱產生的乙醇蒸汽會使球墨罐內部壓強增加而產生爆炸的危險。其二，在擠壓成型和燒結的過程中，由于鋁和石墨烯的熱膨脹系數差異較大(室溫下鋁合金熱膨脹系數為23.21x10-6K-1，石墨烯熱膨脹系數為-6x10-6K-1)，采用常規的擠壓成型再通過高溫燒結的方式很難提高復合材料的致密性，質量較差，力學性能提高不明顯，而采用熱等靜壓的燒結方式雖然可以有效的提高復合材料的致密性，但成本昂貴。

發明內容

鑒于以上所述現有制備石墨烯鋁基復合材料的方法的缺陷，本發明的目的在于提供一種石墨烯/鋁復合材料的制備方法，使得石墨烯在鋁基體內能均勻分布。

本發明提供的一種石墨烯/鋁復合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1：將石墨烯分散在無水乙醇中，形成石墨烯分散液，并進行超聲波震蕩；

S2：在攪拌條件下，將鋁基粉末加入到所述石墨烯分散液中，并緩慢加入無水丙酮至鋁基粉末完全分散，形成混合液；

S3：對所述混合液進行過濾，將濾渣進行干燥，得到混合粉末；

S4：將所述混合粉末填入模具內，壓實；

S5：將所述模具放入熱壓機中，在預設的燒結溫度、升溫速率和保壓時間下，進行燒結，得到所述石墨烯/鋁復合材料。

可選的，所述鋁基粉末的粒徑為5～20μm，所述鋁基粉末的外形為球形。

可選的，所述模具為由高溫鎳基合金或者模具鋼等材料制成的金屬熱壓模具，所述模具在預設的溫度和載荷下的強度應大于所述鋁基粉末的強度。