一种含纳米钻石烯的钛基复合材料及其制备方法技术

一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，所述新型钛基复合材料是在基体颗粒中添加纳米钻石烯获得，所述基体颗粒为纯钛或钛合金。同时本发明专利技术还进一步公开了其制备方法。本发明专利技术通过纳米钻石烯的加入提高了钛及其合金的强度、硬度、耐磨性和导热性等性能；得到的复合材料应用范围广泛，尤其在医疗器械和航空航天等高新技术行业有很好的应用价值；且本发明专利技术工艺过程简单，易于掌控，适合于大批量工业化生产。

Novel titanium base composite material containing nano diamond alkene and preparation method thereof

The invention relates to a novel titanium base composite material containing nano diamond alkene, wherein the novel titanium matrix composite is obtained by adding nano diamond in the matrix particle, and the matrix particle is pure titanium or titanium alloy. At the same time, the invention further discloses a preparation method thereof. The invention improves the strength, hardness, wear resistance and thermal conductivity of titanium and its alloys by adding nano diamond graphene; composite materials have extensive application range, especially has a good application value in medical equipment and aerospace and other high-tech industries; and the process is simple, easy to control, suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料及其制备方法
本专利技术属于纳米颗粒增强金属基复合材料领域，具体涉及一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料及其制备方法。
技术介绍
钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、生物相容性强等优异特点，因此在航空航天、生物医药和石油化工等众多领域有着广泛的应用。随着现代科技的发展进步及钛基复合材料应用领域的不断拓宽，对钛及钛合金的综合性能提出了更高的要求，期望其在具备自身优异性能的基础上同时具备耐磨性高、导热性好、热膨胀系数低和抗蠕变性优良等特点，传统的钛合金材料已经很难满足这些应用要求。纤维增强和颗粒增强是材料增强最常用的两种方式，相比纤维增强，颗粒增强复合材料具有各项同性、易于加工成形等优点，因此近年来颗粒增强钛基复合材料开始成为研究热点。增强颗粒种类的选择是提高钛基复合材料性能的关键，它要求所选颗粒必须具备优异性能，同时要与基体材料有好的相容性。纳米钻石烯是一种新型碳纳米材料，它具有尺寸小、强度高、硬度高、耐磨性好、导热系数高、耐腐蚀性强和生物相容性好等特点，同时经过预处理能与钛及钛合金具有良好的相容性，是非常理想的钛基复合材料增强体。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，同时提供其制备方法是本专利技术的又一专利技术目的。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，所述新型钛基复合材料是在基体颗粒中添加纳米钻石烯获得，所述基体颗粒为纯钛或钛合金。所述纳米钻石烯添加前须经以下预处理：a)超声波碱洗：将纳米钻石烯置于碱液中超声波碱洗，采用的超声波频率为25～30KHz，碱液为浓度8%～12%的NaOH溶液，碱液温度为50℃～60℃，搅拌速度为25～30rpm，清洗时间为25～30min；b)超声波清洗：超声波频率均为30KHz，清洗液为去离子水，搅拌速度为25～30rpm，搅拌时间为20～30min，取上层清液测量pH值，反复清洗直至pH=7；c)酸洗活化：酸洗液为浓度为25%～30%的硫酸溶液，酸洗温度控制在50～60℃，搅拌速度为15～20rpm，搅拌时间为20～30min，以达到将原料表面活化的目的；d)超声波水洗：超声波水洗为常温清洗，超声波频率为30～40KHz，水洗液为去离子水，将原料入去离子水中并旋转搅拌，旋转转速为20～25rpm，搅拌时间为8～10min，取上层清液测量pH值，反复清洗直至pH=7；e)真空镀钛：将清洗烘干后的纳米钻石烯颗粒与三氯化钛和氢化钛粉末混匀，在真空环境下加热至700～800℃进行真空微蒸发镀钛处理1～2h即可。所述基体颗粒与纳米钻石烯的用量为100:（0.1～5）。所述基体颗粒的粒径为0.1～100um；所述钛合金为钛铝钒、钛钼或钛镍。所述的含纳米钻石烯的新型钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：1）分散：将预处理好的纳米钻石烯按50nm：100nm：250nm=(1～2)：(2～3)：(4～5)的粒度进行混合配比，然后取混合好的纳米钻石烯0.1～5份，加入到100～200份的无水乙醇中，搅拌并超声分散30～60min，搅拌速度为1000～2000rpm，超声波频率为30～40KHz，最后加入100份的基体颗粒，继续分散60～120min；2)球磨：将步骤1）所得的混合液按球液比为（2～4）:1加入到球磨机中球磨3～10h，球磨机转速为300～400rpm，磨球材质为TiC，大小为5～10mm；3)烘干：将步骤2）中的混合物在真空或保护气体环境下烘干，烘干温度为80～100℃，时间为2～5h；4)压制烧结：将步骤3)中的混合料在三维混料机中混合2～3h，装入模具中压制成形，然后在无氧条件下热压烧结即得。步骤4）中，烧结采用两段升温升压式：先将压力升至20～30MPa，温度升至700～900℃，保温20～50min；再将压力升至40～50MPa，温度升至1100～1400℃，保温5～20min，之后冷却卸压出模即可。本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：1）纳米钻石烯的加入提高了钛及其合金的强度、硬度、耐磨性和导热性等性能；2）纳米钻石烯经过本专利技术的预处理后能与金属基体有结合的更好；3）本专利技术复合材料应用范围广泛，尤其在医疗器械和航空航天等高新技术行业有很好的应用价值；4）本专利技术工艺过程简单，易于掌控，适合于大批量工业化生产。附图说明图1是复合材料硬度随纳米钻石烯含量的变化关系；图2是复合材料抗拉强度随纳米钻石烯含量的变化关系；图3是复合材料耐磨性随纳米钻石烯含量的变化关系；图4是复合材料导热率随纳米钻石烯含量的变化关系。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术做进一步描述。实施例1一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，所述新型钛基复合材料是在基体颗粒中添加纳米钻石烯获得，所述基体颗粒为纯钛。所述基体颗粒与纳米钻石烯的用量为100:1；所述基体颗粒的粒径为0.1～20um。所述纳米钻石烯添加前须经以下预处理：a)超声波碱洗：将纳米钻石烯置于碱液中超声波碱洗，采用的超声波频率为25KHz，碱液为浓度8%的NaOH溶液，碱液温度为50℃～60℃，搅拌速度为25rpm，清洗时间为25min；b)超声波清洗：超声波频率均为30KHz，清洗液为去离子水，搅拌速度为25rpm，搅拌时间为20min，取上层清液测量pH值，反复清洗直至pH=7；c)酸洗活化：酸洗液为浓度为25%的硫酸溶液，酸洗温度控制在50℃，搅拌速度为15rpm，搅拌时间为20～30min，以达到将原料表面活化的目的；d)超声波水洗：超声波水洗为常温清洗，超声波频率为30KHz，水洗液为去离子水。将原料入去离子水中并旋转搅拌，旋转转速为20rpm，搅拌时间为8min，取上层清液测量pH值，反复清洗直至pH=7；e)真空镀钛：将清洗烘干后的纳米钻石烯颗粒与三氯化钛和氢化钛粉末混匀，在真空环境下加热至700℃进行真空微蒸发镀钛处理1h即可。所述的含纳米钻石烯的新型钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：1）分散：将预处理好的纳米钻石烯按50nm：100nm：250nm=1：2：4的粒度进行混合配比，然后取混合好的纳米钻石烯1份，加入到100份的无水乙醇中，搅拌并超声分散30min，搅拌速度为1000rpm，超声波频率为30KHz，最后加入100份的基体颗粒，继续分散60min；2)球磨：将步骤1）所得的混合液按球液比为2:1加入到球磨机中球磨3h，球磨机转速为300rpm，磨球材质为TiC，大小为5～10mm；3)烘干：将步骤2）中的混合物在真空或保护气体环境下烘干，烘干温度为80℃，时间为5h；4)压制烧结：将步骤3)中的混合料在三维混料机中混合2h，装入模具中压制成形，然后在无氧条件下热压烧结。步骤4）中，烧结采用两段升温升压式：先将压力升至20MPa，温度升至700℃，保温20min；再将压力升至40MPa。温度升至1100℃，保温5min，之后冷却卸压出模即可。实施例2一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，所述新型钛基复合材料是在基体颗粒中添加纳米钻石烯获得，所述基体颗粒为钛合金，所述钛合金为钛铝钒。所述基体颗粒的粒径为20～60um；所述纳米钻石烯添加前须经以下预处理：a)超声波碱洗：将纳米钻石烯置于碱液中超声波碱洗，采用的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，其特征在于，所述新型钛基复合材料是在基体颗粒中添加纳米钻石烯获得，所述基体颗粒为纯钛或钛合金。

【技术特征摘要】
1.一种含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，其特征在于，所述新型钛基复合材料是在基体颗粒中添加纳米钻石烯获得，所述基体颗粒为纯钛或钛合金。2.如权利要求1所述含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，其特征在于，所述纳米钻石烯添加前须经以下预处理：a)超声波碱洗：将纳米钻石烯置于碱液中超声波碱洗，采用的超声波频率为25～30KHz，碱液为浓度8%～12%的NaOH溶液，碱液温度为50℃～60℃，搅拌速度为25～30rpm，清洗时间为25～30min；b)超声波清洗：超声波频率均为30KHz，清洗液为去离子水，搅拌速度为25～30rpm，搅拌时间为20～30min，取上层清液测量pH值，反复清洗直至pH=7；c)酸洗活化：酸洗液为浓度为25%～30%的硫酸溶液，酸洗温度控制在50～60℃，搅拌速度为15～20rpm，搅拌时间为20～30min，以达到将原料表面活化的目的；d)超声波水洗：超声波水洗为常温清洗，超声波频率为30～40KHz，水洗液为去离子水，将原料入去离子水中并旋转搅拌，旋转转速为20～25rpm，搅拌时间为8～10min，取上层清液测量pH值，反复清洗直至pH=7；e)真空镀钛：将清洗烘干后的纳米钻石烯颗粒与三氯化钛和氢化钛粉末混匀，在真空环境下加热至700～800℃进行真空微蒸发镀钛处理1～2h即可。3.如权利要求2所述含纳米钻石烯的新型钛基复合材料，其特征在于，所述基体颗粒与纳米钻石烯的用量为100:（0.1～5）。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪涛，尹维召，杨晋中，武艳强，李盟，文炯，王聪，
申请(专利权)人：河南省豫星华晶微钻有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41