一种以石墨微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法技术

一种以石墨微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，涉及一种制备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成本高、复合材料铸造件性能差以及石墨烯片层打开不充分的问题。制备方法：一、称料；二、石墨微片分散与预制块成型；三、铝金属真空渗；四、大塑性变形处理；五、成分均匀化处理。本发明专利技术以低成本石墨微片为原材料，首先制备石墨微片增强铝基复合材料，制备的少层石墨烯增强铝基复合材料的综合性能优异，弹性模量超过90GPa，抗拉强度超过400MPa，热导率超过230W/(m·K)。本发明专利技术适用于制备石墨烯增强铝基复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种以石墨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制备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。石墨微片是生产石墨烯的重要原材料之一，但是二者的价格相差几十至上千倍。高品质的少层石墨烯价格超过100万元/公斤，多层石墨烯的价格也高于2000元/公斤，而石墨微片的价格仅为100～200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；但是目前报道制备石墨烯增强铝基复合材料主要采用直接引入多层或少层石墨烯作为增强体的方式，因此复合材料成本较高，但多层石墨烯增强的效果不如少层石墨烯。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，但是该文献中采用的原材料为石墨烯，价格为3000元/公斤，原材料价格较高；同时该论文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成本高、铝金属浸渗后的石墨微片增强铝基复合材料铸锭的致密度低和浸渗不完全、以及石墨烯片层打开不充分的问题，本专利技术以低成本石墨微片为原材料，提供了一种以石墨微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法。本专利技术以石墨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％的石墨微片和96％～99.5％的铝金属粉末，称取工业纯铝块体，工业纯铝块体和上述铝金属粉末的重量比为(5～30)：1；所述石墨微片的平均片径为100nm～10μm，平均厚度为50～500nm；所述铝金属粉末的平均粒径为1～30μm；所述铝金属粉末的材质为铝合金；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％；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；二、石墨微片分散与预制块成型将步骤一称取的石墨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石墨微片预制体；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石墨微片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，石墨微片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，在真空下将石墨微片预制体预热到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；将预热的石墨微片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石墨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，熔融铝金属与石墨微片的润湿性能也得到改善，有利于后期复合材料制备；将预热的石墨微片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石墨微片间的微米、亚微米甚至是纳米间隙中；石墨微片增强铝基复合材料铸锭是由石墨微片、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，使石墨微片片层打开；四、大塑性变形处理将步骤三中得到的石墨微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到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650℃～680℃，变形比为(10～40)：1；为了使石墨微片充分打开，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，易于石墨烯层的错开；大塑性变形产生剪切应力实现多层石墨微片的片层打开，成为石墨烯增强铝基复合材料。五、成分均匀化处理将步骤四中得到的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；成分均匀化处理使铝金属颗粒中和合金元素向工业纯铝基体中扩散，形成成分均一的基体，最终形成石墨烯增强铝基复合材料。本专利技术具备以下有益效果：1、本专利技术以低成本石墨微片为原材料，首先制备石墨微片增强铝基复合材料，然后通过大塑性变形使石墨微片层与层之间打开，最终制成石墨烯增强铝基复合材料；由于石墨微片价格远低于石墨烯价格，因此复合材料制备成本低，所需石墨烯原料的成本仅为8000元每吨。2、本专利技术中采用铝金属粉末颗粒来分散石墨微片，采用工业纯铝基体来填充石墨微片的孔隙，这种非匀质设计，可以克服由于高温下铝剪切应力低而导致的施加在石墨微片上应力较低的问题，在大塑性变形过程中，利用了铝金属粉末颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以石墨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％的石墨微片和96％～99.5％的铝金属粉末，称取工业纯铝块体，工业纯铝块体和上述铝金属粉末的重量比为(5～30)：1；二、石墨微片分散与预制块成型将步骤一称取的石墨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石墨微片预制体；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；三、铝金属浸渗将步骤二得到的石墨微片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，石墨微片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】
1.一种以石墨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％的石墨微片和96％～99.5％的铝金属粉末，称取工业纯铝块体，工业纯铝块体和上述铝金属粉末的重量比为(5～30)：1；二、石墨微片分散与预制块成型将步骤一称取的石墨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石墨微片预制体；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；三、铝金属浸渗将步骤二得到的石墨微片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，石墨微片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，在真空下将石墨微片预制体预热到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；将预热的石墨微片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石墨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石墨微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到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石墨烯增强铝基复合材料进行成分均匀化处理，即完成；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所述的以石墨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：步骤一所述石墨微片的平均片径为100nm～10μm，平均厚度为50～500nm。3.根据权利要求1所述的以石墨微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方...

【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