一种以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法技术

一种以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，涉及一种石墨烯增强铝基复合材料的方法。本发明专利技术为了解决目前石墨烯增强铝基复合材料制备过程中单层或少层石墨烯在铝基复合材料中的分散难度大和石墨烯增强铝基复合材料成本高的问题。制备方法：一、称取多层石墨烯微片、铝金属和工业纯铝块体；二、多层石墨烯微片分散与预制块成型；三、铝金属浸渗；四、大塑性变形处理；五、成分均匀化处理。本发明专利技术是以低价格多层石墨烯微片为增强体原材料，因此成本较直接用少层石墨烯为增强体的复合材料明显降低；制备的石墨烯增强铝基复合材料综合性能优异，易于实现产业化生产及应用。本发明专利技术适用于制备石墨烯增强铝基复合材料。

Method for preparing graphene reinforced aluminium matrix composite material using multilayer graphene micro chip as raw material

The invention relates to a method for preparing graphene reinforced aluminium matrix composite material by using multilayer graphene micro slices as raw material, and relates to a method for strengthening aluminium matrix composite material by using graphene. The invention aims to solve the problem that the dispersion of the single layer or little layer of graphene in the aluminum matrix composite is difficult and the cost of the graphene reinforced aluminum matrix composite material is high during the preparation of the graphite reinforced aluminum matrix composite. Preparation method: first, the multilayer graphene microchip, aluminum and industrial aluminum block; two, multilayer graphene nanoplatelet dispersion molding and preform; three, aluminum metal infiltration; four, the large plastic deformation processing; five, composition homogenization treatment. The present invention is the low price of multilayer graphene nanoplatelet as reinforcement material, so the cost is the direct use of few layer graphene reinforced composite material significantly reduced; preparation of graphene reinforced aluminum matrix composite materials with excellent comprehensive performance, easy to realize industrialization production and application. The invention is suitable for preparing graphene reinforced aluminum matrix composite material.

【技术实现步骤摘要】
一种以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法
：本专利技术涉及一种石墨烯增强铝基复合材料的方法。
技术介绍
：石墨烯具有高达125GPa的抗拉强度、1TPa的弹性模量和5000W/(m·K)的热导率，无疑是一种综合性能优越的、近乎理想的增强体。石墨烯按照层数可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯(3～10层)和多层石墨烯(层数大于10层，总厚度小于10nm)。目前采用石墨烯来改善树脂和陶瓷的性能的研究最为活跃，而利用石墨烯增强金属基，尤其是增强铝基复合材料的研究相对较少。制备的工艺方法主要是固相法和液相法，固相法包括各种粉末冶金方法、搅拌摩擦焊以及最新的放电等离子烧结(SPS)法等，液相法包括压力浸渗法等。单层或5层以内的少层石墨烯的价格是多层石墨烯微片贵几十至上百倍，高品质的单层石墨烯价格超过100万元/公斤，而十层以上的多层石墨烯微片的价格低于2500元/公斤；采用单层石墨烯制备石墨烯增强铝基复合材料的石墨烯的成本约为4000万元每吨，采用多层石墨烯制备备石墨烯增强铝基复合材料的成本约为10万元每吨；采用少层石墨烯制备石墨烯增强铝基复合材料的石墨烯的成本约为800万元每吨；同时单层或少层石墨烯在铝基复合材料中的分散难度也远高于多层石墨烯。因此由于高成本和技术限制的原因，目前用于制备石墨烯增强铝基复合材料的石墨烯原材料主要是多层石墨烯微片。但是石墨烯一个重要的强化机制就是其极大的比表面积，因此多层石墨烯微片对铝基体的增强效果不如单层或少层石墨烯。需要说明的是，如果采用单层或少层石墨烯作为增强体原材料，由于其分散性的原因，其能加入复合材料的含量较多层石墨烯微片要少很多。因此如何能低成本向铝合金中引入更多的少层石墨烯，从而显著提高铝基复合材料的性能，是目前限制石墨烯在铝基复合材料中应用的一个主要技术难点。现有文献中公开了通过压力浸渗工艺制备石墨烯/铝复合材料的方法，但是该文献中采用了压力浸渗工艺，其压力实现方式通过机械装置的压头向下单向加压，该方式易造成不同方向的施压不均匀性，另外该文献中在挤压和轧制处理过程中，采用的是单一基体，并且是在固相线以下进行变形处理，制备得到的复合材料基体流动性差，最终导致微观获得的剪切应力小，石墨烯打开不充分，成品率最高只能达到20％。因此如何低成本、高品质地制备石墨烯增强铝基复合材料是一个难点。
技术实现思路
：本专利技术为了解决目前石墨烯增强铝基复合材料制备过程中单层或少层石墨烯在铝基复合材料中的分散难度大和石墨烯增强铝基复合材料成本高的问题，提出一种以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法。本专利技术以多层石墨烯微片为原材料，将多层石墨烯微片均匀地引入铝基体中，然后利用大塑性变形的方式，在铝基体中形成大的剪切应力，并将剪切应力通过界面传递到多层石墨烯微片上；由于这个剪切应力大于多层石墨烯微片的层间强度，进而使多层石墨烯微片层沿塑性变形方向发生错动，使多层石墨烯微片层与层之间错动打开，多层石墨烯在铝基体中原位实现少层化，转变为少层石墨烯，从而获得高性能的少层石墨烯/铝复合材料；本专利技术以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，该方法按以下步骤进行：一、称料按质量分数称取0.5％～4％多层石墨烯微片和96％～99.5％铝金属粉末；工业纯铝块体，工业纯铝块体和上述铝金属粉末的重量比为(3～10)：1；所述多层石墨烯微片的平均片径为100nm～10μm，平均厚度为6～50nm；所述铝金属粉末的平均粒径为1～30μm；所述铝金属粉末为纯铝或铝合金；所述工业纯铝块体中非铝元素杂质含量总和不超过0.7wt.％；采用工业纯铝块体作为基体，工业纯铝的强度低，延伸率高，变形能力强，有利于后期的大塑性变形处理；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或其中几种的组合；所述Al-Si合金中Si的质量分数为2％～25％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Cu-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；二、多层石墨烯微片分散与预制块成型将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以100～400rpm的转速球磨4～15h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；所述进行冷压的具体步骤为：在加压速度为0.1～30mm/min下向混合粉末加压至4～8MPa并保压5～20min；所述球磨罐中的球料比为(5～20)：1；三、铝金属浸渗将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度小于10-4MPa，然后加热真空气压浸渗炉，在真空下将多层石墨烯微片/铝预制体预热到400～660℃；将步骤一称取的工业纯铝块体加热至760～950℃并保温0.5h～2h得到熔融的铝金属；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体浸入熔融的铝金属后停止加热，然后向真空气压浸渗炉内通入保护气体，在真空气压浸渗炉的炉内温度自然冷却至室温后即得到高致密的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭；所述保护气体为氮气、氩气或氦气；所述保护气体的压力为0.1MPa～10MPa；所述真空气压浸渗炉的炉腔的上部和下部采用独立温度控制，因此可以实现腔内上下温度不同；由于炉腔的熔融温度较高，得到的熔融铝金属的流动性较好，熔融铝金属与多层石墨烯微片的润湿性能也得到改善，有利于后期复合材料制备；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体完全浸入工业纯铝熔液后，停止加热，同时向炉腔内充入快速保护气体，形成各向同性的等静压力，将工业纯铝熔液充分浸渗到多层石墨烯微片间的微米、亚微米甚至是纳米间隙中；多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭是由多层石墨烯微片、铝金属颗粒以及包覆它们的工业纯铝基体组成的；由于铝金属粉末与工业纯铝基体的力学性能不一样，因此二者在变形过程中的应变不一样，从而形成微观剪切应力，使多层石墨烯微片片层打开；四、大塑性变形处理将步骤三中得到的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到少层石墨烯增强铝基复合材料；所述大塑性变形处理为挤压变形处理或轧制处理；所述挤压变形处理或轧制处理的温度为400℃～600℃，变形比为(10～40)：1；为了使多层石墨烯微片充分打开，大塑性变形处理的温度采用在复合材料铸锭的固相线温度以上，在固相线温度以上铝基体中部分铝处于液态的状态，具有良好的流动性，易于多层石墨烯微片层的错开；大塑性变形产生剪切应力实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：一、称料按质量分数称取0.5％～4％多层石墨烯微片和96％～99.5％铝金属粉末；工业纯铝块体，工业纯铝块体和上述铝金属粉末的重量比为(3～10)：1；二、多层石墨烯微片分散与预制块成型将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以100～400rpm的转速球磨4～15h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；三、铝金属浸渗将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度小于10

【技术特征摘要】
1.一种以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：一、称料按质量分数称取0.5％～4％多层石墨烯微片和96％～99.5％铝金属粉末；工业纯铝块体，工业纯铝块体和上述铝金属粉末的重量比为(3～10)：1；二、多层石墨烯微片分散与预制块成型将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以100～400rpm的转速球磨4～15h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；三、铝金属浸渗将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度小于10-4MPa，然后加热真空气压浸渗炉，在真空下将多层石墨烯微片/铝预制体预热到400～660℃；将步骤一称取的工业纯铝块体加热至760～950℃并保温0.5h～2h得到熔融的铝金属；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体浸入熔融的铝金属后停止加热，然后向真空气压浸渗炉内通入保护气体，在真空气压浸渗炉的炉内温度自然冷却至室温后即得到高致密的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭；四、大塑性变形处理将步骤三中得到的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到少层石墨烯增强铝基复合材料；所述大塑性变形处理为挤压变形处理或轧制处理；五、成分均匀化处理将步骤四中得到的少层石墨烯增强铝基复合材料进行成分均匀化处理，所述成分均匀化处理的温度为500℃～550℃，时间为2～4h。2.根据权利要求1所述的以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤一所述多层石墨烯微片的平均片径为100nm～10μm，平均厚度为6～50nm。3.根据权利要求1所述的以多层石墨烯微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤一所述铝金属粉末的平均粒径为1～30μm。4.根据权利要求1所述的以多层石墨烯微片为原材...

【专利技术属性】
技术研发人员：武高辉，杨文澍，张强，修子扬，姜龙涛，陈国钦，乔菁，康鹏超，芶华松，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23