一种石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。所述方法步骤如下：石墨烯粉末与无水乙醇混合后超声分散，并在搅拌下加入钛粉，得到混合浆料；将得到的混合浆料转移至球磨罐中，进行球磨；除去球磨后浆料中的无水乙醇，得到粉末；将得到的粉末在真空干燥箱中干燥，得到干燥好的粉末；将干燥好的粉末装入石墨模具内，热压炉中通氩气，并对石墨模具施加2～2.12t的压力，以10～12℃/min的升温速率加热至900～1300℃，保温1～1.5h后自然冷却至室温，石墨模具内的产物为所述石墨烯增强钛基复合材料。所述方法工艺简单，且制备的复合材料中石墨烯分布均匀，杂质含量少。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。
技术介绍
钛及钛合金具有密度低，强度高、耐高低温、耐腐蚀等特点；其突出的性能促使钛及钛合金成为军事工业、航空航天、航海、汽车、石油化工、生物医药等行业的理想材料，从而成为复合材料理想的基体。石墨烯是一种碳原子以sp2杂化的形式存在的二维碳材料，具有十分优异的导电性、导热性，以及力学性能。它的弹性模量和抗拉强度分别能达到1.05Tpa和130Gpa。人们已经对石墨烯增强金属基复合材料(Gr-MMCs)，如铝基、镍基、镁基、铜基，进行了初步的探索。研究发现石墨烯增强的金属基复合材料具有较高的比强度、比弹性模量以及良好的耐磨性等。但是石墨烯增强金属基复合材料在烧结时会遇到一系列的问题，如石墨烯粉末非常容易团聚，如果加入两性表面活性剂，会导致杂质的引入，在粉末冶金的球磨阶段又容易遭到结构的破坏。另外，有关石墨烯增强钛基复合材料的研究还未见报道。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法，利用所述方法制备的复合材料中石墨烯分布均匀，杂质含量少，具有较高的比强度和比弹性模量；该方法工艺简单。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种石墨烯增强钛基复合材料，以所述石墨烯增强钛基复合材料的体积为100％计，其各组成的成分及体积分数：石墨烯粉末1.80～1.90％，钛粉98.10～98.20％。一种本专利技术所述石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：(1)原料的称量：首先，利用透射电子显微镜或原子力显微镜观察出石墨烯的层数L，再测量出L层石墨烯的厚度T，从而可得石墨烯片层间距d＝T/(L-1)，由于石墨烯每个片层的厚度为一个原子尺度，可忽略不计，根据下述公式可以计算出石墨烯的密度：其中，PGNPs为石墨烯的密度，单位为g/cm3；d为石墨烯片层间距，单位为nm；ρgraphite为石墨的密度，为2.25g/cm3；0.34nm为石墨的片层间距；然后，称量石墨烯的质量，并计算出其相应的体积；再根据石墨烯的体积，称取相应的钛粉；(2)粉末的混合：石墨烯粉末与无水乙醇混合后超声分散20～30min，然后在搅拌下加入钛粉，得到混合浆料；将得到的混合浆料转移至球磨罐中，加入球磨珠，在300～350r/min下球磨0.4～2.5h；然后，除去球磨后浆料中的无水乙醇，得到粉末；将得到的粉末在90～120℃的真空干燥箱内干燥10～12h，得到干燥好的粉末；其中，球磨珠与石墨烯粉末和钛粉的质量比为5～6:1；(3)热压烧结：将步骤(2)中干燥好的粉末装入石墨模具内，模具内部垫石墨纸，以防钛粉与模具发生反应；热压炉中通氩气保护，并对石墨模具施加2～2.12t的压力，以10～12℃/min的升温速率加热至900～1300℃，保温1～1.5h后自然冷却至室温，石墨模具中的产物为所述石墨烯增强钛基复合材料。优选地，所述石墨模具的内部垫喷涂了氮化硼(BN)的石墨纸。有益效果：本专利技术所制备的石墨烯增强钛基复合材料中石墨烯分布均匀，杂质含量少，具有较高的比强度和比弹性模量，相对于纯钛的抗拉强度提高了21.3～51.5％，并且断后延伸率相对于传统颗粒增强钛基复合材料较高，可达14～22％，是一种较低成本且力学性能优异的非连续增强钛基复合材料。本专利技术所述方法中，严格控制球磨混粉过程中的球磨时间及球磨转速，时间过长，转速过高，易造成材料结构的破坏；时间过短，转速过低，达不到混合均匀的目的。在球磨过程中，通过调控球磨的时间及转速，使得石墨烯能够在基体上均匀分布，且混合后的材料结构完整。采用氩气保护下的热压烧结技术，使复合材料的致密度较高，钛粉颗粒结合较好，增强效果明显。附图说明图1为实施例1制得的石墨烯增强钛基复合材料的高分辨透射电子显微镜图。图2为实施例1制得的石墨烯增强钛基复合材料的拉伸断口的扫描电子显微镜(SEM)图。图3为实施例2制得的石墨烯增强钛基复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图。图4为实施例3制得的石墨烯增强钛基复合材料的X射线衍射(XRD)谱图。图5为实施例3制得的石墨烯增强钛基复合材料的的EDS能谱图。图6为实施例4制得的石墨烯增强钛基复合材料与相同工艺下制备的纯钛的准静态拉伸曲线对比图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述。以下实施例中：石墨烯粉末是由纯度＞90％的少层石墨烯片组成，厚度为1～1.7nm，直径约为50μm，通过计算得到该石墨烯的密度为1.06g/cm3，该石墨烯粉末的生产厂家为苏州恒球石墨烯科技有限公司。钛粉：密度4.51g/cm3，销售厂家为成都天齐机械五矿进出口股份有限公司。纯钛的制备：钛粉与无水乙醇混合后超声分散20～30min；然后，转移至球磨罐中，加入球磨珠，其中，球磨珠与钛粉的质量比为5～6:1，在300～350r/min下球磨0.4～2.5h；再除去球磨后浆料中的无水乙醇，得到粉末；将得到的粉末在90～120℃的真空干燥箱内干燥10～12h，得到干燥好的粉末；将干燥好的粉末装入石墨模具内，模具内部垫石墨纸；热压炉中通氩气，并对石墨模具施加2～2.12t的压力，以10～12℃/min的升温速率加热至900～1300℃，保温1～1.5h后自然冷却至室温，石墨模具中的产物为所述纯钛。除了不添加石墨烯粉末外，纯钛的制备与对应实施例中制备石墨烯增强钛基复合材料的其他工艺条件相同。石墨模具：模具的内径为30mm，压头直径为24.6mm，模具的内部垫一层0.2mm厚的喷涂了BN的石墨纸；热压炉：R-C-ZKQY-07，上海辰荣电炉有限公司；扫描电子显微镜：日本HITACHI公司生产的HITACHIS-4800N场发射扫描电子显微镜；透射电子显微镜：美国FEI公司生产的TecnaiG2F20型透射电子显微镜。实施例1将0.11437g体积分数为1.80％的石墨烯粉末和200mL无水乙醇混合后超声分散30min，然后在搅拌下加入25.0376g体积分数为98.20％的钛粉，得到混合浆料；将得到的混合浆料转移至球磨罐中，加入125.76g氧化锆陶瓷球磨珠，300r/min下球磨0.4h，利用旋转蒸发仪于65r/min75℃下除去球磨后浆料中的无水乙醇，得到粉末；将得到的粉末在90℃的真空干燥箱中干燥12h，得到干燥好的粉末；将得到的干燥好的粉末装入石墨模具内，热压炉中通氩气，并对石墨模具施加2.12t的压力，以12℃/min的升温速率加热至900℃，保温1h后自然冷却至室温，石墨模具中的产物为体积为的石墨烯增强钛基复合材料。对本实施所得到的石墨烯增强钛基复合材料进行的表征及结果如下：图1是该复合材料的高分辨透射电子显微镜图，从图中晶格分布可知，该复合材料中明显存在两相，即纯钛相和石墨烯与纯钛在高温烧结过程中原位自生形成的TiC相，而且两相间的界面结合良好。从该复合材料的SEM图中可知，石墨烯原位自生形成的TiC颗粒均匀分布在纯钛基体中。图2是该复合材料拉伸断口的SEM图，从图中可知所制备的石墨烯增强钛基复合材料内部存在少量未与纯钛反应的石墨烯，其周围是TiC陶瓷相。该复合材料的XRD衍射图中存在纯钛和TiC的衍射峰，看不到石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯增强钛基复合材料，其特征在于：以所述石墨烯增强钛基复合材料的体积为100％计，其各组成的成分及体积分数：石墨烯粉末1.80～1.90％，钛粉98.10～98.20％。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)原料的称量：首先，利用透射电子显微镜或原子力显微镜观察出石墨烯的层数L，再测量出L层石墨烯的厚度T，从而可得石墨烯片层间距d＝T/(L-1)，根据下述公式可以计算出石墨烯的密度：其中，ρGNPs为石墨烯的密度，单位为g/cm3；d为石墨烯片层间距，单位为nm；ρgraphite为石墨的密度，为2.25g/cm3；0.34nm为石墨的片层间距；然后，称量石墨烯的质量，并计算出其相应的体积；再根据石墨烯的体积，称取相应的钛粉；(2)粉末的混合：石墨烯粉末与无水乙醇混合后超声分散20～30min，然后在搅拌下加入钛粉，得到混合浆料；将得到的混合浆料转移至球磨罐中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪梅，穆啸楠，才鸿年，范群波，傅铸杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11