一种石墨烯/镍基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯/镍复合材料及其制备方法，所述方法将镍或镍合金粉与氧化石墨烯共同机械球磨混合，机械球磨加入酒精进行湿磨，可避免镍粉氧化。球磨过程初步得到氧化石墨烯/铜复合粉，再通过还原、粉末冶金、热挤压等技术得到石墨烯/铜的复合块材及复合丝材。本发明专利技术所述复合材料石墨烯分散均匀，且基体与增强体界面结合良好，石墨烯/镍复合材料具有优异的物理性能。本发明专利技术工艺简单，过程易控，易实现规模化生产应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属基复合材料及其制备
，具体地说，是一种石墨烯增强镍基复合材料及其制备方法。
技术介绍
镍及镍合金具有良好的力学、物理和化学性能。镍基复合材料在能源开发、化工、电子，尤其在航空航天领域中，具有不可替代的用途。随着航空业对于材料的性能的日益增长的需求，镍基复合材料也在不断被研发和使用，逐渐代替在航空业上镍基高温合金的部分位置。镍基复合材料按照增强体类型的不同分为非连续相和连续相增强镍基复合材料，非连续相增强包括短纤维增强、颗粒增强和晶须增强。常见的短纤维增强相有Al2O3、C、BN等，一般为几毫米的长度，大部分增强相无规则分布在基体中。常见的颗粒增强相主要有SiC、Al2O3、TiC等，大约在几个微米和几十个微米之间，通常以粉末形态加入到金属基体中。常用的晶须增强相主要有SiC、Al2O3等陶瓷晶须，直径基本为0.1～1μm，长度为几十微米，。连续相增强镍基复合材料，主要是长纤维增强。由于增强相的排布方向各向异性，决定了复合材料的各向异性。石墨烯是目前发现的唯一存在的一种由碳原子致密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的环保型碳质新材料(其厚度通常在10nm以内)，具有超大比表面积(2630m2/g)，是目前已知强度最高的材料(达130GPa)，其载流迁移率高达150,000cm2/Vs，热导率高达5150W/(m·K)。因此，如能将石墨烯的优异性能引入到镍基复合材料中，将为镍基复合材料的设计和性能提升带来巨大影响。国际上关于石墨烯/金属复合材料的报道较少，石墨烯密度小、分散性能差以及熔体制备过程中的界面反应问题是制约该类复合材料发展的重要原因。采用传统熔炼冶金方法获得石墨烯金属基复合材料较为困难，只有少数研究者利用不同方法制备出石墨烯增强金属基复合材料，主要集中铝、铜、镁、银等低温金属材料。在高温结构金属基复合材料方面，罕有研究报道。经对现有技术的文献检索发现，仅有Zhao等人发表的论文“Enhancedstrength in reduced graphene oxide/nickel composites prepared by molecular-levelmixing for structural applications”(DOI：10.1007/s00339.014.8908.y)采用化学合成方法制备出氧化石墨烯/镍复合粉体，再进行成型。结果显示，含有质量分数为1.5％的石墨烯/镍复合材料的拉伸强度提高了95.2％，屈服强度提高了327.6％。目前为止，尚未见采用粉末冶金方法制备石墨烯增强镍基复合材料的技术。因此，以一种环保、低成本、可控性好、易规模化生产的工艺手段实现高性能石墨烯/镍复合材料的制备不仅具有重要的科研价值，而且具有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯/镍复合材料及其制备方法，采用镍或镍合金作为基体材料，石墨烯作为增强相，制备出具有抗拉强度高、延伸率好等良好力学性能的石墨烯/镍复合材料。该方法简单易操作，工艺可控性好，成本低，易实现规模化生产，所述石墨烯/镍复合材料组织均匀，性能稳定。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术将镍或镍合金粉与氧化石墨烯共同机械球磨混合，机械球磨加入酒精进行湿磨，可避免镍粉氧化。球磨过程初步得到氧化石墨烯/铜复合粉，再通过还原、粉末冶金、热挤压等技术得到石墨烯/铜的复合块材及复合丝材。本专利技术所述复合材料石墨烯分散均匀，且基体与增强体界面结合良好，石墨烯/镍复合材料具有优异的物理性能。本专利技术工艺简单，过程易控，易实现规模化生产应用。本专利技术提供一种石墨烯/镍复合材料的制备方法，包括如下步骤：第一步，将镍或镍合金粉与氧化石墨烯溶液混合，然后球磨混合，得到镍或镍合金粉-氧化石墨烯混合液。第二步，将前述步骤中得到的镍或镍合金粉-氧化石墨烯混合液干燥，得到氧化石墨烯/镍或镍合金复合粉体。第三步，将前述氧化石墨烯/镍或镍合金复合粉体预成型，在气氛保护下热还原，得到石墨烯/镍或镍合金复合粉体。第四步，将前述石墨烯/镍或镍合金复合粉体进行烧结、成型处理，得到石墨烯/镍基复合材料。优选地，所述第一步中：所述镍或镍合金粉为纳米级别或微米级别。优选地，所述第一步中：氧化石墨烯溶液，是指单层或少层氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯质量分数为0.1wt％～10wt％。氧化石墨烯溶液中溶剂为醇、酮、醚等有机溶剂，可以通过Hummers法制备，当然，其他制备方法的也可以。氧化石墨烯的浓度没有特定要求，氧化石墨烯溶质的质量是根据最终材料得质量分数计算的，原材料浓度不特定。优选地，所述第一步中：球磨采用行星球磨机；进一步的，球磨采用玛瑙球磨罐和玛瑙球，避免镍粉吸附、起不到混粉的效果。优选地，所述第二步中：在氧化石墨烯/镍复合粉干燥的过程中，采用冷冻干燥的方法。优选地，所述第三步中：还原过程，所用气氛为氢气。优选地，所述第三步中：热还原温度为400～700℃。在该温度下用氢气进行氧化石墨烯/镍或镍合金复合粉的还原，可以得到高品质石墨烯/镍或镍合金复合粉。优选地，所述第四步中：烧结方法为热压烧结、放电等离子烧结等，保护气氛为氮气、氦气或氩气等惰性气体，烧结温度为900～1200℃下保温5～20min。进一步的，在所述第四步之后进一步执行第五步：将石墨烯/镍复合材料进行挤压处理，材料组织进一步致密化，得到石墨烯定向分布的石墨烯/镍复合丝材。优选地，所述第五步中：挤压处理为热挤压，挤压温度为700～900℃，挤压比为20～100。通过热挤压工艺使材料进一步致密化，同时得到石墨烯定向分布的复合材料。本专利技术提供一种上述方法制备的石墨烯/镍复合材料。本专利技术中，可以方便控制石墨烯添加量，优选的，石墨烯添加量为0.1wt％-10wt％，进一步的，可以为0.5wt％-10wt％，更进一步的，可以是0.5wt％-5wt％，镍或镍合金粉形貌为球状，镍在复合材料中的质量分数为90wt％-99.9wt％。进一步的，可以根据石墨烯添加量调整。石墨烯增强效果明显，可较好地满足不同应用需求。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：(1)创造性的采用氧化石墨烯与镍或镍合金粉球磨混合，解决了现有目前
还没有石墨烯/镍块状材料的技术难题；(2)机械球磨混合采用酒精湿磨的方法，有效保护了镍不被氧化，另外也有利于氧化石墨烯的均匀分散。(3)在氧化石墨烯/镍复合粉干燥的过程中，采用冷冻干燥的方法，有效避免了氧化石墨烯的团聚，同时降低镍的氧化程度。如用传统热烘干的方法，会使石墨烯团聚，影响粉体的质量。(4)采用氢气还原石墨烯/镍复合粉，将复合粉中部分氧化镍还原，并还原氧化石墨烯，得到石墨烯分布均匀且结构完好的石墨烯/镍复合粉。(5)烧结过程，全程采用惰性气体保护，防止材料氧化。(6)创造性的采用热挤压技术对石墨烯/镍复合材料进行进一步致密化处理，得到性能优异的石墨烯/镍复合丝材。本专利技术石墨烯/镍通过挤压处理后，实现石墨烯定向排列。本专利技术通过机械球磨混合、粉末冶金技术以及热挤压技术，这些技术之间相互联系配合，能制备出性能优异的石墨烯/镍复合材料，突破了一系列科学问题及技术难题。本专利技术所述的石墨烯/镍基复合材料，石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/镍基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，将镍或镍合金粉与氧化石墨烯溶液混合，然后球磨混合，得到镍或镍合金粉‑氧化石墨烯混合液；第二步，将前述步骤中得到的镍或镍合金粉‑氧化石墨烯混合液干燥，得到氧化石墨烯/镍或镍合金复合粉体；第三步，将前述氧化石墨烯/镍或镍合金复合粉体预成型，在气氛保护下热还原，得到石墨烯/镍或镍合金复合粉体；第四步，将前述石墨烯/镍或镍合金复合粉体进行烧结、成型处理，得到石墨烯/镍基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/镍基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，将镍或镍合金粉与氧化石墨烯溶液混合，然后球磨混合，得到镍或镍合金粉-氧化石墨烯混合液；第二步，将前述步骤中得到的镍或镍合金粉-氧化石墨烯混合液干燥，得到氧化石墨烯/镍或镍合金复合粉体；第三步，将前述氧化石墨烯/镍或镍合金复合粉体预成型，在气氛保护下热还原，得到石墨烯/镍或镍合金复合粉体；第四步，将前述石墨烯/镍或镍合金复合粉体进行烧结、成型处理，得到石墨烯/镍基复合材料。2.根据权利要求1所述的石墨烯/镍基复合材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中：所述氧化石墨烯氧化石墨烯溶液，是指单层或少层氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯质量分数为0.1wt％～10wt％；所述镍或镍合金粉为纳米级别或微米级别。3.根据权利要求1所述的石墨烯/镍复合材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中：球磨采用玛瑙球磨罐和玛瑙球。4.根据权利要求1所述的石墨烯/镍复合材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中：在氧化石墨烯/镍复合粉干燥的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏鹏，毛琳，陈乐生，沈敏华，
申请(专利权)人：上海和伍复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31