[發明專利]一種石墨烯增強鋁基復合材料的粉末冶金制備方法

在審

• 申請號: 202011521496.9
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112725660A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 郭強;韓一帆;楊淦婷;鄭王樹
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C1/05;C22C1/10;B22F9/04;B22F1/00;B22F3/00;B22F3/24;C22F1/04
• 代理公司: 上海段和段律師事務所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

本發明提供了一種石墨烯增強鋁基復合材料的粉末冶金制備方法，該方法預先通過長時間的低能量球磨制備石墨烯?鋁復合粉末，退火后經過短時間高能量球磨、致密化加工及熱處理，最終得到所述復合材料。通過長時間低能量球磨實現基體粉末與石墨烯均勻復合，同時能避免界面反應的發生，保護石墨烯結構完整；退火復合粉末在提升石墨烯質量的同時能提高復合粉末的塑性變形能力；短時間高能量球磨，使復合粉末焊合成顆粒且不損傷石墨烯質量；此外對于鋁合金基體的復合材料，分散均勻的石墨烯促進基體中細小彌散析出相的析出，進一步提升復合材料力學性能。本發明有利于最大限度保護石墨烯結構完整并發揮石墨烯強化潛能，節能省時，適于批量制備生產。

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料技術領域，具體地，涉及一種石墨烯增強鋁基復合材料的粉末冶金制備方法。

背景技術

鋁及其合金因具有較低的密度，較高的比強度、比模量受到廣泛關注，包括純鋁以及中等強度鋁鎂硅系、高強度鋁銅系和超高強度鋁鋅鎂銅系在內的鋁合金廣泛應用于航空、航天、交通、電子、建筑和體育用品等諸多領域，鋁及其合金全球全年生產量和使用量僅次于鋼鐵材料。隨著航空航天、國防軍工等高技術領域的快速發展，單一材料很難滿足復雜苛刻和多樣化環境的使用要求，復合化成為材料發展的趨勢，在金屬基體中加入具有特定性能或優異綜合性能的第二相形成金屬基復合材料(Metal Matrix Composite,MMC)，以彌補金屬基體的某些性能短板、實現綜合性能的提升。以石墨烯、碳納米管等納米增強相為代表的新一代增強體成為近年來在復合材料領域的研究重點。相較于傳統金屬基復合材料中的陶瓷脆性增強相，納米增強相(以石墨烯為例)具有更高的綜合性能，表現為高彈性模量(1TPa)、高抗拉強度(130GPa)、高拉伸塑性(＞10％)等力學性能以及高導電率(200,000cm²V^-1s^-1)、高導熱率(5000Wm^-1K^-1)等功能特性上，使得納米增強相-金屬基復合材料體系的增強、增模效率，缺陷容忍度，拉伸塑性，導電、導熱等特性與傳統金屬基復合材料相比有了較大提升，代表著金屬基復合材料的未來發展方向。

由于石墨烯層間存在巨大的范德華力，石墨烯在基體中的均勻分散一直是石墨烯增強鋁基復合材料制備的一個主要障礙。分子水平混合(Molecular Level Mix)、原位合成(In Situ Synthesis)、料漿共混片狀粉末冶金(Flake Powder Metallurgy)等方法，能夠較好滿足發揮石墨烯均勻分散的要求，但這些方法過程相對復雜，很難進行工業化生產；采用傳統機械球磨法制備的石墨烯/鋁基復合材料中，納米相的分散性和結構完整性較較差，但適于未來的規模化、批量化生產，具有一定的工業化應用潛力。因此，如何在機械球磨法中開發新的石墨烯的均勻分散技術，保持其結構完整并與基體結合好，且制備的復合材料中無冶金缺陷，是目前石墨烯/鋁基復合材料生產和應用技術中的關鍵問題。