[發明專利]一種高性能鋁基復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202011305774.7
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112538578A
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 李松
• 申請（專利權）人: 安徽竣陽信息技術有限公司
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;C22C21/00;B22F3/105;B22F3/04;B22F9/04
• 代理公司: 深圳至誠化育知識產權代理事務所(普通合伙) 44728
• 代理人: 劉英

本發明提供一種高性能鋁基復合材料及制備方法，所述方法包括以下步驟：S1、將鋁合金粉末、石墨粉和干冰放入球磨罐內，密封后以1000?5000rpm的轉速連續研磨反應1?100小時，得到合金混料；S2、將上述合金混料注入磨具中，采用0.1?1MPa的流體靜壓力壓實成型，得到結構件前驅體；S3、對所述結構件前驅體采用激光燒結工藝進行燒結，得到所述鋁基復合材料。該方法制得的鋁基復合材料使石墨烯與鋁形成的高質量界面性，增強鋁合金機械強度，在大幅降低鋁合金制品的厚度的同時仍然保持高強度，使鋁合金進一步輕質化改性，而且該方法簡單，過程中無需添加助劑，滿足環境友好型生產需求。

技術領域

本發明涉及金屬復合材料加工領域，尤其涉及一種高性能鋁基復 合材料及其制備方法。

背景技術

石墨烯是一種新型二維納米材料，石墨烯納米片是由sp²雜化碳原 子組成的單原子層厚度的二維材料，其展現出一系列不同尋常的物理 性能。2004年Novoselov等利用膠帶剝離法制備出石墨烯納米片樣品， 并對其微觀組織結構和物理學性能進行了表征。石墨烯納米片因其特 殊的二維結構，引起了物理、化學和材料學界研究學者的極大興趣， 有關石墨烯的基礎研究和工程應用研究成為近幾年的研究熱點。

石墨烯強度高達1.01Tpa，是結構鋼的100倍，而密度卻是結構鋼 的1/5。由于石墨烯密度小，提高金屬材料強度的同時還能降低材料的 密度。同時石墨烯還具有超高的電子遷移率(200000cm2/V·S)、電導 率、熱導率(5000W/m·K)、楊氏模量(1100GPa)等優異性能，因此將 石墨烯與鋁、鈦、鎂等金屬材料復合，預期可以得到輕質高強、兼備 導電、導熱等功能特性的結構功能一體化的復合材料，是迄今為止實 驗上發現的最堅韌、導電和導熱最好的材料。為盡快使石墨烯達到工 程應用狀態，歐盟在2012年啟動石墨烯旗艦技術項目，美國也大力投 入，并且在石墨烯作為超強電容器等應用研究已取得了突破性進展。 濕化學還原法容易實現石墨烯納米片的大批量制備，并且獲得的石墨 烯具有較好的親水性和單分散性，是理想的復合材料納米填料。

由于石墨烯具有高的強度，其抗拉強度可達1060GPa，如何利用其 來提高復合材料的強度成為研究熱點。目前已有關于石墨烯納米片增 強高分子聚合物和陶瓷材料的報道。聚乙烯醇中填加0.7％質量分數的 石墨烯納米片，其抗拉強度提高76％；Al₂O₃陶瓷基體中填加0.78％體積 分數的石墨烯納米片時，其彎曲強度提高30.75％，同時斷裂強度提高27.20％。

鋁合金具有低的密度、高的強度和良好的延展性，在航空、航天 等領域得到廣泛應用。作為結構材料，如何提高鋁合金強度一直是其 研究者的主攻方向。目前來看，利用改變合金熔煉方式、調控成分、 調整熱處理和變形工藝等方法在進一步提高鋁合金性能難有突破，鋁 基復合材料應運而生。鋁基復合材料具有密度小，耐蝕性強，導電導 熱性能優異，加工性能好等優點成為當前金屬基復合材料研究的主流。 隨著汽車和航空航天領域的發展，尤其是在太空空間，電離輻射等惡 劣環境中對金屬基復合材料的比強度，比模量，耐蝕性，導電導熱等 性能要求更高，傳統的陶瓷纖維和顆粒增強體已經不能滿足對材料的 要求，相比于陶瓷纖維增強體碳纖維和石墨顆粒增強體高的導熱性， 低的熱膨脹系數，優異的阻尼能力和非常好的自潤滑性能引起了許多 研究者的關注。在鋁合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳納米管制 備鋁基復合材料來提高合金強度成為學者們研究方向。但增強效果不 盡人意，且材料的塑性大幅降低。石墨烯納米片具有高的強度，大的 比表面積和較好的延伸率，將其添加到鋁合金中形成鋁基復合材料， 是解決提高鋁合金強度難題的不錯選擇。在最近幾年因為石墨烯優異 的機械性能和物理性能被認為是最理想的金屬基復合材料增強體，相 比于碳納米管，石墨烯的二維結構使石墨烯更容易控制和分散在鋁基 體中，為進一步提高鋁基復合材料的性能提供了新的途徑。