[發明專利]一種激光原位合成亞微米級球形石墨的制備方法

有效

• 申請號: 202011194615.4
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112408380B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 戰再吉;呂相哲;曹海要
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: C01B32/205
• 分類號: C01B32/205;C01B32/991;C23C24/10
• 代理公司: 石家莊眾志華清知識產權事務所(特殊普通合伙) 13123
• 代理人: 張明月

本發明涉及一種激光原位合成亞微米級球形石墨的制備方法，屬于激光加工與材料合成技術領域，步驟包括：原料粉末的制備、金屬基板的制備和激光原位合成亞微米級球形石墨的制備。本發明利用激光加工技術和原位合成反應，在金屬基體內、沒有形核劑的輔助下合成了亞微米級球形石墨，制備的球形石墨在金屬基體中分散均勻，結構完整，無缺陷，其直徑小于1μm；所采用的原位合成反應的原料粉末種類少，反應過程簡單高效，并且可根據需要配置不同含量的混合粉末；通過調控加工工藝參數可合成無雜質的球形石墨，也可合成具有納米銅金屬夾層的特殊結構球形石墨。

技術領域

本發明涉及一種激光原位合成亞微米級球形石墨的制備方法，屬于激光加工與材料合成技術領域。

背景技術

在金屬中石墨有多種存在形態，包括片狀石墨、球形石墨、致密石墨和星狀石墨等。石墨的基本組成單元是單原子石墨層(石墨烯)，其是由sp2雜化鍵碳原子構成的二維平面結構。形態各異的石墨均是由一層層的石墨烯組成的，石墨烯的堆疊方式和生長方向決定了石墨的宏觀形貌。石墨烯中的碳原子排列成蜂窩狀，分為a軸方向和c軸方向。石墨層片沿著緊密結合的a軸方向生長會形成片狀石墨，而沿著c軸方向生長則為球形石墨。

石墨-金屬復合材料中石墨形態的變化顯著影響其性能，片狀石墨或不規則石墨的尖端會引起應力集中現象，導致金屬材料微裂紋萌生，而具有球形形貌的石墨在金屬基體中應力集中小，能顯著提高材料的強度、韌性和疲勞性能。球形石墨的制備方法主要有熱處理碳鋼或鑄鐵、球化處理天然石墨、化學氣相沉積等方法。前兩種方法制備的球形石墨直徑通常較大，一般在10μm以上。通過化學氣相沉積制備的球形石墨尺寸較小，直徑可以達到1μm以下，但成本較高。熱處理過程耗時耗能較多，且僅適合于碳鋼和鑄鐵等黑色金屬，不適用于銅、鋁等有色金屬。球化處理天然石墨得到的球形石墨通常為近球形，球度較低，需要進行多次篩分才能獲得尺寸均一的材料。并且球化處理天然石墨和化學氣相沉積制備的球形石墨需要通過外加法將其引入到金屬基體中，而外加法具有增強體不易分散均勻、界面結合弱等缺點。在金屬基體中，小尺寸、分布均勻、結合良好的球形石墨具有優異的強化作用。

因此，在金屬內制備亞微米級球形石墨并開發相應的原料體系就成為了該領域急需解決的技術難題。

發明內容

本發明的目的是提供一種激光原位合成亞微米級球形石墨的制備方法，利用高能激光束在銅熔體內原位反應生成亞微米級球形石墨以提高復合材料的強度、韌性和抗疲勞特性。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種激光原位合成亞微米級球形石墨的制備方法，步驟如下：

(1)原料粉末的制備：原料粉末包括基體粉末和反應粉末，所述基體粉末為金屬Cu粉；反應粉末由金屬Zr粉末和碳化物B₄C粉末組成，其摩爾比為Zr:B₄C＝2:1；

準確稱量上述粉末，并將各粉末放入V型混料機中混粉，放入烘干箱中干燥，制得原料粉末；

(2)金屬基板的制備：選用純銅基板，首先使用砂紙打磨純銅基板表面去除表面的污漬、氧化物等，再使用無水乙醇清潔基板表面得到光滑清潔的金屬基板；

(3)激光原位合成亞微米級球形石墨的制備：將步驟(1)所得的原料粉末預置在步驟(2)所得的金屬基板表面，并在氬氣保護氣氛中進行激光加工使原料粉末熔化形成熔池，在熔池內發生原位合成反應，生成球形石墨；所述反應方程式為：

2Zr+B₄C＝2ZrB₂+C

本發明技術方案的進一步改進在于：所述步驟(1)的反應粉末質量為原料粉末質量的10～50％。