一种石墨烯铝碳化硅复合材料及其制备方法和其应用技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯铝碳化硅复合材料及其制备方法，所述复合材料由下述配比的物质组成：10～40vol％的碳化硅，0.5～2wt％的石墨烯，余量为铝合金。所述的复合材料采用粉末冶金法制备，通过配料、混粉、装包套、真空脱气、热等静压成形处理制得。本发明专利技术的复合材料具有密度小、重量轻、高硬度、高抗拉强度等优点，且加入适量的石墨烯显著提高了材料的强度、抗疲劳度和韧性，使其在结构件领域具有更广阔的应用前景。

Graphene aluminum silicon carbide composite material, preparation method and application thereof

The invention relates to a graphene aluminum silicon carbide composite material and a preparation method thereof, wherein the composite material comprises the following components: the ratio of 10 ~ 40vol%, 0.5 ~ 2wt% silicon carbide, graphene, margin for Aluminum Alloy. The composite material is prepared by powder metallurgy method, and is processed by batching, mixing powder, packing sleeve, vacuum degassing and hot isostatic pressing forming. The composite material of the invention has the advantages of low density, light weight, high hardness, high tensile strength and other advantages, and adding amount of graphene can significantly improve the material strength, fatigue resistance and toughness, which has broad application prospects in the field of structural parts.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯铝碳化硅复合材料及其制备方法和其应用
本专利技术涉及一种石墨烯铝碳化硅复合材料及其制备方法和其应用。
技术介绍
铝是仅次于钢铁的第二大类金属，具有轻便、强度好、延展性好、导电性强、良好的抗蚀性等优点，广泛应用于建筑、包装、电子、运输等行业，航空、国防和汽车等行业对铝的需求越来越大。铝碳化硅是一种金属基复合材料，并融合了碳化硅陶瓷和金属铝的不同优势，具有密度小、重量轻、高硬度和高抗拉强度等优点。但一些具有特殊要求的结构件或用于特殊工作环境的结构件对铝合金及铝碳化硅复合材料的性能具有更高要求。首先，要有更加优异的力学性能。轻质、高强、高的比强度、高的弹性模量是不断追求的目标；其次，良好的耐疲劳性能也会使结构件在一些应用领域更具竞争力；再次，结构件也应具有性能的可设计性，需要考虑不同的结构要求设计不同性能的复合材料。石墨烯是一种具有高导电率、高导热率、高模量、高强度的二维平面纳米材料，其优异的力学性能和物理性能使其具有极大的应用前景。已有将石墨烯加入Al/SiC复合材料中以改善材料性能的报道。在Al/SiC复合材料中加入石墨烯，显著提高了材料的强度、塑性和韧性，改善材料的后续机械加工，使材料在结构件的应用上具有更广阔的应用前景。CN105924178A公开了一种压力渗透方法制备铝碳化硅复合材料的方法，将粉料填充至模具中，在10Mpa的压力下成型，形成近成型素坯。将带素坯的模具包套封装后烧结，素坯形成预制件。将装有预制件的模具包套封装浸铝，制得铝碳化硅复合材料。该方法的制备原料中不添加石蜡微乳液，并减少磷酸二氢铝的量，素坯的空隙高，制得复合材料的铝体积分数大，提升了热导率，并简化了工艺路线，节省了成本，适合规模化生产。但该方法存在碳化硅颗粒聚集、增强相分布不均、材料存在各向异性，进而影响其高端运用性能。CN105801154A公开了一种石墨烯增强铝碳化硅复合材料及其制备方法，该复合材料以氧化石墨为碳源，采用水热法在还原氧化石墨烯表面包裹一层SiO2颗粒，使得石墨烯与SiC形成良好的界面层，且分散均匀；经高温烧结，在石墨烯与SiO2界面处通过碳热还原反应，原位生长碳化硅晶须及颗粒，提高界面强度和抗氧化能力，产生界面强化作用，增加裂纹扩展阻力，进一步改善陶瓷断裂韧性，以克服石墨烯/碳化硅复合材料制备技术中石墨烯分散性差和高温抗氧化性差等缺陷，将原位生长、裂纹自愈合及强韧化机理应用于石墨烯/碳化硅材料的制备技术中，进而获得机械性能、界面结合性能优良的石墨烯增韧碳化硅陶瓷。但该方法需经高温烧结和碳热还原反应，存在反应过程难于控制的缺陷。CN104264000A公开了一种粉末冶金法制备石墨烯增强铝碳化硅电子封装复合材料的方法，包括下述步骤：1)将增强体颗粒用强酸溶液浸泡，再用去离子水清洗至中性，去除表面杂质，烘干，制得活化处理的增强体颗粒；2)将活化处理的增强体颗粒加入到石墨烯分散液中，通过机械搅拌或超声分散，在其表面包覆石墨烯纳米片，制得石墨烯改性的增强体颗粒；3)将石墨烯改性的增强体颗粒与铝基体粉末混合，通过压坯和烧结，制得石墨烯改性的高导热铝基复合材料。该方法制得的复合材料表面富有光泽，具有各项同性、气孔缺陷少、增强相体积分数易于变化、易于调控复合材料的性能等优点。但需用强酸，存在安全隐患和环保问题。CN104848748A公开了一种采用压力渗透法制备石墨烯铝碳化硅复合材料的方法，该方法将石墨烯与乙醇溶液混合，制得均匀分散的石墨烯乙醇分散液，再将SiC粉末加入该混合溶液中，球磨，混合均匀，烘干，将混合物压制成骨架，将高温铝液以压力浸渗方式加入骨架中，制得石墨烯铝碳化硅复合材料。该方法具有成形简单，无需后续复杂机械加工等优点，但存在增强相分布不均匀、且存在气孔缺陷等问题，进而导致材料性能存在各向异性、表面较大、无法控制碳化硅体积加入量及其他增强相(如石墨烯)含量等缺陷。并且，该方法通过制备SiC陶瓷预制件加压浸渗的方法来制备石墨烯/碳化硅增强铝基复合材料，需将铝液加热到700～750℃，存在控制困难和安全性问题；且采用球磨方式(约10～20小时)将石墨烯乙醇分散液加入铝碳化硅复合材料中，存在混合不够均匀等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯铝碳化硅复合材料，其特征在于，所述复合材料由下述配比的物质组成：10～40vol％的碳化硅，0.5～5wt％的石墨烯，余量为铝合金。本专利技术的优选技术方案中，所述碳化硅的含量为15-35vol％，优选为20-30vol％，更优选为21-25vol％。本专利技术的优选技术方案中，所述碳化硅中SiC的含量不低于97％，优选含量不低于98％，更优选不低于99％。本专利技术的优选技术方案中，所述碳化硅的组成为，SiC的含量为99.21％，C的含量为0.11％，Fe2O3的含量为0.13％。本专利技术的优选技术方案中，所述碳化硅为粉状，优选其中值粒径为3～30μm，更优选为8-25μm，还优选为10-20μm。本专利技术的优选技术方案中，所述石墨烯的含量为0.5-4wt％，优选为0.5-2wt％，还优选为1-1.5wt％。本专利技术的优选技术方案中，所述石墨烯为粉状，优选其中值粒径为2～30μm，更优选为5-20μm，还优选为8-12μm。本专利技术的优选技术方案中，所述石墨烯的纯度不低于90wt％，优选不低于95wt％，更优选不低于98wt％。本专利技术的优选技术方案中，所述铝合金为粉状，优选其中值粒径为5～90μm，更优选为10-80μm，还优选为20-70μm，另优选为30-60μm。本专利技术的优选技术方案中，所述铝合金的组成(质量分数)为Cu3.2～4.4％，Mg1.0～1.6％，Zn≤0.1％，Fe≤0.05％，Si≤0.25％，O≤0.6％，其余元素单个含量≤0.05％，其余元素合计总含量≤0.15％。本专利技术的另一目的在于提供石墨烯铝碳化硅复合材料的制备方法，所述复合材料由下述配比的物质组成：10～40vol％的碳化硅，0.5～5wt％的石墨烯，余量为铝合金，所述复合材料采用粉末冶金法，经配料、混粉、装包套、真空脱气、热等静压成形处理制得。本专利技术的优选技术方案中，所述碳化硅的含量为15-35vol％，优选为20-30vol％，更优选为20-25vol％。本专利技术的优选技术方案中，所述碳化硅中SiC的含量不低于97％，优选含量不低于98％，更优选不低于99％。本专利技术的优选技术方案中，所述碳化硅的组成为，SiC的含量为99.21％，C的含量为0.11％，Fe2O3的含量为0.13％。本专利技术的优选技术方案中，所述碳化硅为粉状，优选其中值粒径为3～40μm，更优选为8-30μm，还优选为15-20μm。本专利技术的优选技术方案中，所述石墨烯的含量为0.5-4wt％，优选为0.5-2wt％，还优选为1-1.5wt％。本专利技术的优选技术方案中，所述石墨烯为粉状，优选其中值粒径为2～30μm，更优选为5-20μm，还优选为10-15μm。本专利技术的优选技术方案中，所述石墨烯的纯度不低于90wt％，优选不低于95wt％，更优选不低于98wt％。本专利技术的优选技术方案中，所述铝合金为粉状，优选其中值粒径为5～90μm，更优选为15-80μm，还优选为25-70μm，还优选为35-60μm。本专利技术的优选技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯铝碳化硅复合材料，其特征在于，所述复合材料由下述配比的物质组成：10～40vol％的碳化硅，0.5～5wt％的石墨烯，余量为铝合金。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯铝碳化硅复合材料，其特征在于，所述复合材料由下述配比的物质组成：10～40vol％的碳化硅，0.5～5wt％的石墨烯，余量为铝合金。2.根据权利要求1所述的石墨烯铝碳化硅复合材料，所述复合材料中碳化硅的含量为15-35vol％，优选为20-30vol％，更优选为21-25vol％。3.根据权利要求1-2任一项所述的石墨烯铝碳化硅复合材料，所述复合材料中碳化硅为粉状，优选其中值粒径为3～30μm，更优选为8-25μm，还优选为10-20μm。4.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯铝碳化硅复合材料，所述复合材料中铝合金为粉状，优选其中值粒径为5～90μm，更优选为10-80μm，还优选为20-70μm，另优选为30-60μm。5.根据权利要求1或2任一项所述的石墨烯铝碳化硅复合材料，所述复合材料中铝合金的组成(质量分数)为Cu3.2～4.4％，Mg1.0～1.6％，Zn≤0.1％，Fe≤0.05％，Si≤0.25％，O≤0.6％，其余元素单个含量≤0.05％，其余元素合计总含量≤0.15％。6.一种权利要求1-5任一项所述的石墨烯铝碳化硅复合材料的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振民，刘干，孟庆宇，
申请(专利权)人：北京宝航新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11