稀土改性石墨烯增强金属基复合棒材的制备方法技术

本发明专利技术公开了稀土改性石墨烯增强金属基复合材料的制备方法，利用稀土对氧化石墨烯进行改性处理，再经过还原得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末。将改性石墨烯粉末与金属粉末球磨混粉，然后将球磨后复合粉末装入到包套中，抽真空后焊接密封，采用热等静压和热挤压成型工艺制备出稀土改性石墨烯增强金属基复合材料。微量稀土元素的加入可以减少石墨烯与金属粉末在制备过程中的氧化，改善石墨烯在金属基体中的分散性和界面润湿性，显著提高了石墨烯增强金属基复合材料的力学性能和导电性能。同时该制备方法工艺简单易行，生产成本低廉，适合规模化生产，具有良好的市场前景。

Preparation method of rare earth modified graphene reinforced metal matrix composite bar

The invention discloses a preparation method of graphene reinforced metal matrix composites modified by rare earth, using the modification of graphene oxide of rare earth, and then after reduction of the high dispersion of rare earth doped graphene powder. The modified graphene powder and metal powder milling powder, and then milled into powder composite bag, vacuum seal welding, extrusion molding process to fabricate graphene reinforced metal matrix composites modified by rare earth by hot isostatic pressing and heat. Trace rare earth elements could reduce graphene and metal powder in the preparation of the oxidation process, the dispersion and interfacial wettability improvement of graphene in a metal matrix, significantly improved graphene enhanced mechanical properties and conductivity of metal matrix composites. Meanwhile, the preparation method has the advantages of simple and easy process, low production cost, suitability for large-scale production and good market prospect.

【技术实现步骤摘要】
稀土改性石墨烯增强金属基复合棒材的制备方法
本专利技术属于复合材料制备
，涉及一种稀土改性石墨烯增强金属基复合棒材的制备方法。
技术介绍
石墨烯是碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，具有一系列丰富而奇特的物理性质：超大的比表面积(2630m2/g)，是目前已知强度最高的材料，达130GPa；其载流子迁移率达15000cm2/(V·s)；热导率高达5150W/(m·K)，是室温下纯金刚石的3倍。石墨烯独特的物理、化学和力学性能为复合材料的开发奠定了重要基础，是各种复合材料的理想增强体，可望开发出具有丰富多样、优异性能的聚合物基、金属基等复合材料。2010年诺贝尔奖获得者Geim认为，虽然石墨烯在许多领域取得许多惊人的进展，但石墨烯复合材料是有望最快实现应用的领域之一。但是由于石墨烯比表面积大，容易团聚，与金属基体的湿润性很差，导致石墨烯与金属基体材料很难复合成型，采用传统的熔炼鋳造法根本无法实现该类复合材料的制备。目前有关于石墨烯增强金属基复合材料的制备方法主要是粉末冶金法、水热法、化学沉积法(CVD)和原位生长法等，这些制备方法制备的石墨烯金属基复合材料综合性能不高，主要是由于石墨烯与基体金属间润湿性差，反应活性不高，纳米材料的改性难度比较大，因此获得高质量的石墨烯增强的金属基复合材料工艺难度较大；而且这些制备方法工艺流程复杂，生产成本高，产品质量和规格均受到限制，无法实现规模化产业化应用。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供一种稀土改性石墨烯增强金属基复合棒材的制备方法，解决目前石墨烯在基体金属中的分散性差，湿润性差的缺点，制得的复合材料致密度高、力学性能和导电性能优良，制备工艺简单、成本低廉、适合规模化生产。本专利技术所采用的技术方案是，稀土改性石墨烯增强金属基复合棒材的制备方法，具体按照以下步骤进行：步骤1，配制以乙醇为溶剂的稀土溶液，其中，稀土溶液各种成分的质量分数为：稀土化合物0.05～5.0％，氯化铵0.1～2.0％，尿素0.01～2.0％，二巯基丙烷磺酸钠0.15％～0.3％；将稀土溶液进行水浴加热，然后将稀土溶液的pH调至5～6，得到稀土改性溶液；按照200～500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃条件下浸入稀土改性溶液中，超声波分散，得到改性氧化石墨烯分散液；随后在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，改性氧化石墨烯分散液与水合肼按照体积比10:7～10:10配比，还原得到石墨烯溶液；然后用40～60℃的无水乙醇和去离子水洗涤，直到检测不到稀土离子，并置于烘箱内干燥，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末；步骤2，将改性的石墨烯粉末与金属粉末装入球磨罐，球磨前抽真空，氩气或氮气保护，球料比2～8:1，球磨时间8-12h，再将球磨后复合粉末装入到包套中，同时进行振荡；步骤3，对包套加热到200～300℃时进行抽真空处理，除去复合粉末中的水汽和其他夹杂气体，当真空度达到0.5～2.5×10-3Pa后，将包套焊接密封；步骤4，将包套进行热等静压成型，得到高致密度的改性石墨烯金属基复合材料预制坯；步骤5，将改性石墨烯金属基复合材料预制坯进行热挤压成型，即得。进一步的，所述步骤1中，将稀土溶液进行水浴加热至75～85℃，保温5～10分钟。进一步的，所述步骤1中，用硝酸将稀土溶液的pH调至5～6。进一步的，所述步骤1中，超声波分散3～6小时，超声波功率为900～2000W，频率为20～75KHz。进一步的，所述步骤1中，稀土化合物为镧、铈、镨或钕的氯化物。进一步的，所述步骤1中，烘箱干燥温度为100℃，时间为12～15h。进一步的，所述步骤2中，金属粉末为纯铜粉、纯铝粉或纯镁粉中的一种，金属粉末的纯度大于99.5％。进一步的，所述步骤4中，热等静压成型中，温度为350℃～800℃，压力为100～400MPa，保温保压时间为1～2h。进一步的，所述步骤5中，热挤压成型中，挤压温度为450℃～950℃，挤压比为10:1～15:1。本专利技术的有益效果：(1)利用该方法制备的石墨烯具有很好的分散性，其表面湿润性也比改性前有明显的改善。(2)利用该方法制备的石墨烯，改善石墨烯与金属基体间界面润湿性，使石墨烯更好地发挥高致密度、高强度和良好导热性的优点。制备的石墨烯铜基复合材料的压缩屈服强度可达430～680Mpa，电导率可达78～92％IACS。铝复合材料的压缩屈服强度可达320～460Mpa，电导率可达52～58％IACS。镁复合材料的压缩屈服强度可达256～364Mpa。(3)微量稀土元素的加入，可以减少石墨烯与金属粉末在制备过程中的氧化，提高石墨烯增强金属基复合材料的力学性能和导电性能。(4)该制备方法工艺简单易行，生产成本低廉，适合规模化生产，具有良好的市场前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是不同含量的稀土改性后的石墨烯的接触角变化图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。稀土改性石墨烯增强金属基复合棒材的制备方法，具体按照以下步骤进行：步骤1，稀土改性：配制以乙醇为溶剂的稀土溶液，其中，稀土溶液各种成分的质量分数为：稀土化合物0.05～5.0％，氯化铵0.1～2.0％，尿素0.01～2.0％，二巯基丙烷磺酸钠0.15％～0.3％；将稀土溶液进行水浴加热至75～85℃，保温5～10分钟，然后用硝酸将稀土溶液的pH调至5～6，得到稀土改性溶液。按照200～500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃条件下浸入稀土改性溶液中，超声波分散3～6小时，超声波功率为900～2000W，频率为20～75KHz，得到改性氧化石墨烯分散液。随后在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，改性氧化石墨烯分散液与水合肼按照体积比10:7～10:10配比，还原得到石墨烯溶液。然后用40～60℃的无水乙醇和去离子水洗涤多次，直到检测不到稀土离子，并置于烘箱内100℃干燥12～15h，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末。其中，石墨烯为粉末状、片状以及溶液状的任何一种。石墨烯的纯度≥99.3％。厚度为0.4～1.5nm，尺寸为1～8μm。稀土化合物为镧、铈、镨或钕的氯化物。步骤2，高能球墨：将改性的石墨烯粉末与金属粉末装入球磨罐，球磨前抽真空，氩气或氮气保护，球料比2～8:1，球磨时间8-12h，再将球磨后复合粉末装入到包套中，同时进行振荡，提高松装密度。金属粉末为纯铜粉、纯铝粉或纯镁粉中的一种，金属粉末的纯度大于99.5％步骤3，包套密封：对包套加热到200～300℃时进行抽真空处理，除去复合粉末中的水汽和其他夹杂气体，当真空度达到0.5～2.5×10-3Pa后，将包套焊接密封。步骤4，热压成型：将包套本文档来自技高网...

【技术保护点】
稀土改性石墨烯增强金属基复合棒材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤1，配制以乙醇为溶剂的稀土溶液，其中，稀土溶液各种成分的质量分数为：稀土化合物0.05～5.0％，氯化铵0.1～2.0％，尿素0.01～2.0％，二巯基丙烷磺酸钠0.15％～0.3％；将稀土溶液进行水浴加热，然后将稀土溶液的pH调至5～6，得到稀土改性溶液；按照200～500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18‑22℃条件下浸入稀土改性溶液中，超声波分散，得到改性氧化石墨烯分散液；随后在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，改性氧化石墨烯分散液与水合肼按照体积比10:7～10:10配比，还原得到石墨烯溶液；然后用40～60℃的无水乙醇和去离子水洗涤，直到检测不到稀土离子，并置于烘箱内干燥，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末；步骤2，将改性的石墨烯粉末与金属粉末装入球磨罐，球磨前抽真空，氩气或氮气保护，球料比2～8:1，球磨时间8‑12h，再将球磨后复合粉末装入到包套中，同时进行振荡；步骤3，对包套加热到200～300℃时进行抽真空处理，除去复合粉末中的水汽和其他夹杂气体，当真空度达到0.5～2.5×10...

【技术特征摘要】
1.稀土改性石墨烯增强金属基复合棒材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤1，配制以乙醇为溶剂的稀土溶液，其中，稀土溶液各种成分的质量分数为：稀土化合物0.05～5.0％，氯化铵0.1～2.0％，尿素0.01～2.0％，二巯基丙烷磺酸钠0.15％～0.3％；将稀土溶液进行水浴加热，然后将稀土溶液的pH调至5～6，得到稀土改性溶液；按照200～500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃条件下浸入稀土改性溶液中，超声波分散，得到改性氧化石墨烯分散液；随后在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，改性氧化石墨烯分散液与水合肼按照体积比10:7～10:10配比，还原得到石墨烯溶液；然后用40～60℃的无水乙醇和去离子水洗涤，直到检测不到稀土离子，并置于烘箱内干燥，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末；步骤2，将改性的石墨烯粉末与金属粉末装入球磨罐，球磨前抽真空，氩气或氮气保护，球料比2～8:1，球磨时间8-12h，再将球磨后复合粉末装入到包套中，同时进行振荡；步骤3，对包套加热到200～300℃时进行抽真空处理，除去复合粉末中的水汽和其他夹杂气体，当真空度达到0.5～2.5×10-3Pa后，将包套焊接密封；步骤4，将包套进行热等静压成型，得到高致密度的改性石墨烯金属基复合材料预制坯；步骤5，将改性石墨烯金属基复合材料预制坯进行热挤压成型，即得。2.根据权利要求1所述的稀土...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，李焕，朱靖，赵亚茹，袁华丽，胡咏梅，许方，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36