一种石墨烯增强铝合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于铝合金材料领域，公开了一种石墨烯增强铝合金材料及其制备方法。将石墨烯超声分散，然后加入化学镀金属溶液，120～140℃水热反应1～4h，过滤、洗涤、烘干，得到表面处理后的石墨烯；将表面处理后的石墨烯加入到有机溶剂中超声分散，然后加入铝合金粉搅拌混合均匀，除去溶剂后得到混合粉末；将所得混合粉末进行放电等离子烧结成型，得到所述石墨烯增强铝合金材料。本发明专利技术对石墨烯进行表面处理，使表面处理之后的石墨烯较容易在金属中分散，由其增强的铝合金材料具有良好的综合性能和微观组织均匀性。

A Graphene Reinforced Aluminum Alloy Material and Its Preparation Method

The invention belongs to the field of aluminum alloy materials, and discloses a graphene reinforced aluminum alloy material and a preparation method thereof. The graphene was dispersed by ultrasonic wave and then added to the electroless metal solution. The hydrothermal reaction was 1 ~ 4H at 120~140 C. The graphene was obtained by filtration, washing and drying. The surface treated graphene was added to the organic solvent and dispersed in the organic solvent. Then the aluminum alloy powder was added to mix and mix, and the solvent was mixed. The composite powder was prepared by spark plasma sintering, and the graphene reinforced aluminum alloy material was obtained. The invention has the surface treatment of graphene, so that the graphene after the surface treatment is easier to disperse in the metal, and the reinforced aluminum alloy material has good comprehensive properties and microstructure uniformity.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯增强铝合金材料及其制备方法
本专利技术属于铝合金材料领域，具体涉及一种石墨烯增强铝合金材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密排列成正六边形的二维晶体结构，仅有一个碳原子的厚度，是目前已知的最薄的材料。由于石墨烯中的碳原子都是sp2杂化，每个碳原子都通过σ键与相邻的三个碳原子相连成C-C键，同一平面的六个碳原子形成一个正六边形环，同时每个碳原子都提供一个p轨道形成大π键。石墨烯特殊的结构决定了石墨烯材料具有独特的性质，导电、导热性能以及力学性能都很优异，具有比表面积大、透光率好、电子迁移率高的特点。石墨烯结构十分稳定，拥有稳定的C-C键，使石墨烯在平行于片层方向强度很高，石墨烯是目前强度最高的材料之一，断裂强度高达42N/m；当石墨烯受到外力时，碳原子面会弯曲变形而不是通过重新排列适应外力，石墨烯的这种结构使石墨烯在具有良好刚性的同时又具有一定的柔韧性；石墨烯具有的大π键可以使π电子可以在平面内自由移动，使石墨烯具有优异的导电性能，是目前已知的导电性能最好的材料，电子在石墨烯中的运动速度可以达到光速的1/300，电子迁移率约为硅的100倍。近年来，随着高铁列车等领域的快速发展，对导电材料的性能提出了更高的要求，对高强度、高导电材料的需求日益强烈。铜、铝及其合金都是常用的导电材料，但其综合性能还远远不能满足实际发展的需要。而石墨烯是一种导电率和强度都很高的二维结构材料，若将石墨烯添加到铝合金当中，制备出高强高导的石墨烯增强铝合金材料，将会具有重大意义。但是石墨烯和铝润湿性差，较难分散，并且在高温制备过程中容易发生界面反应产生Al4C3脆性相降低复合材料性能，若能将石墨烯进行表面处理改善石墨烯和铝的润湿性，采用表面处理之后的石墨烯和金属在较低温度下成型，制备出高强度、高导电合金材料，将会解决这一技术难题。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种石墨烯增强铝合金材料的制备方法。该方法对石墨烯进行表面处理，使表面处理之后的石墨烯较容易在金属中分散，由其增强的铝合金材料具有良好的综合性能(高强度、高塑性、高导电)和微观组织均匀性。本专利技术的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的铝合金材料。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种石墨烯增强铝合金材料的制备方法，包括如下制备步骤：(1)石墨烯表面处理：将石墨烯超声分散，然后加入化学镀金属溶液，120～140℃水热反应1～4h，过滤、洗涤、烘干，得到表面处理后的石墨烯；(2)混粉：将表面处理后的石墨烯加入到有机溶剂中超声分散，然后加入铝合金粉搅拌混合均匀，除去溶剂后得到混合粉末；(3)烧结成型：将步骤(2)所得混合粉末进行放电等离子烧结成型，得到所述石墨烯增强铝合金材料。优选地，步骤(1)中所述化学镀金属溶液是指化学镀Fe溶液、化学镀Ni溶液、化学镀Co溶液或化学镀Cu溶液。优选地，步骤(2)中所述有机溶剂是指乙醇或丙酮。优选地，步骤(2)中所述铝合金是指1xxx、5xxx、6xxx系铝合金或纯铝。优选地，步骤(2)中所述混合粉末中表面处理后的石墨烯的质量分数为0.1％～5％，铝合金的质量分数为95％～99.9％。优选地，步骤(3)中所述放电等离子烧结的条件为：在真空环境下、压力为30～50MPa、温度为510～570℃的条件下进行放电等离子烧结5～10min。一种石墨烯增强铝合金材料，通过上述方法制备得到。本专利技术的原理为：石墨烯和铝不润湿，分散性较差，但是在石墨烯表面沉积上金属之后，这种表面处理之后的石墨烯和铝的相容性较好，容易分散均匀。本专利技术成型工艺涉及的放电等离子烧结是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，烧结过程可以看作是铝合金颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果，通过铝合金颗粒间的有效放电产生局部高温，使铝合金颗粒表面局部熔化、表面物质剥落；通过高温等离子的溅射和放电冲击清除了铝粉末颗粒表面的氧化物等杂质和吸附的气体；通过电场的作用加快扩散。从而制备出具有良好综合性能的石墨烯增强铝合金材料。本专利技术的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：(1)本专利技术涉及的表面镀金属处理之后的石墨烯与金属材料的润湿性较好，容易在金属材料中实现均匀分散。(2)本专利技术涉及的超声+搅拌的混粉工艺相对传统高能球磨的混粉方法产量高，并且可以保持石墨烯的形貌不被破坏。(3)本专利技术涉及的放电等离子烧结工艺属于中低温烧结，加热均匀，升温快，烧结温度低，烧结时间短，可有效避免石墨烯和铝液反应产生大量Al4C3脆性相降低材料性能，又能使石墨烯和铝合金形成良好的扩散结合层，烧结出的铝合金材料组织细小均匀，可在短时间内制备出具有良好综合性能的石墨烯增强铝合金材料。附图说明图1为实施例1和实施例2制备的表面镀镍石墨烯的扫描电镜图。图2为实施例1制备的表面镀镍石墨烯增强铝合金材料的扫描电镜图。图3为实施例1制备的表面镀镍石墨烯增强铝合金材料与纯铝的抗拉强度值对比图。图4为实施例2制备的表面镀镍石墨烯-纯铝复合粉末的扫描电镜图。图5为实施例2制备的表面镀镍石墨烯增强铝合金材料的拉伸断口扫描电镜图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1(1)石墨烯表面处理先将物理法制备的石墨烯微片超声分散，然后加入化学镀镍溶液，控制反应温度120℃，水热反应2h，随后过滤、洗涤、烘干，得到表面镀镍石墨烯。所得表面镀镍石墨烯的扫描电镜图如图1所示。(2)混粉用电子天平称量出相应质量的表面镀镍石墨烯和纯铝粉末(表面镀镍石墨烯的质量分数为0.5％，纯铝的质量分数为99.5％)，将表面镀镍石墨烯加入无水乙醇溶剂中超声分散1h，随后加入纯铝粉末进行磁力搅拌6h，并烘干，得到混合粉末。(3)烧结成型将步骤(2)制备的混合粉末加入到石墨模具中(石墨模具内垫一层石墨纸，并且石墨模具内表面涂氮化硼脱模剂)，在真空环境下、压力为48MPa、温度为540℃的条件下进行放电等离子烧结6min，然后水冷到室温，得到表面镀镍石墨烯质量分数为0.5％的表面镀镍石墨烯增强铝合金材料。本实施例所得表面镀镍石墨烯增强铝合金材料的扫描电镜图如图2所示。由图2可见所得增强的铝合金材料具有良好的微观组织均匀性。本实施例所得表面镀镍石墨烯增强铝合金材料(0.5％镀镍石墨烯/铝)与纯铝的抗拉强度值对比图如图3所示。由图3可见，所得增强的铝合金材料具有显著提高的力学性能。实施例2(1)石墨烯表面处理先将物理法制备的石墨烯微片超声分散，然后加入化学镀镍溶液，控制反应温度140℃，水热反应2h，随后过滤、洗涤、烘干，得到表面镀镍石墨烯。所得表面镀镍石墨烯的扫描电镜图如图1所示。(2)混粉用电子天平称量出相应质量的表面镀镍石墨烯和纯铝粉末(表面镀镍石墨烯的质量分数为0.3％，纯铝的质量分数为99.7％)，将表面镀镍石墨烯加入无水乙醇溶剂中超声分散1h，随后加入纯铝粉末进行磁力搅拌5h，并烘干，得到表面镀镍石墨烯-纯铝复合粉末。所得表面镀镍石墨烯-纯铝复合粉末的扫描电镜图如图4所示。(3)烧结成型将步骤(2)制备的混合粉末加入到石墨模具中(石墨模具内垫一层石墨纸，并且石墨模具内表面涂氮化硼脱模剂)，在真空环境下、压力为48MPa、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯增强铝合金材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：(1)石墨烯表面处理：将石墨烯超声分散，然后加入化学镀金属溶液，120～140℃水热反应1～4h，过滤、洗涤、烘干，得到表面处理后的石墨烯；(2)混粉：将表面处理后的石墨烯加入到有机溶剂中超声分散，然后加入铝合金粉搅拌混合均匀，除去溶剂后得到混合粉末；(3)烧结成型：将步骤(2)所得混合粉末进行放电等离子烧结成型，得到所述石墨烯增强铝合金材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增强铝合金材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：(1)石墨烯表面处理：将石墨烯超声分散，然后加入化学镀金属溶液，120～140℃水热反应1～4h，过滤、洗涤、烘干，得到表面处理后的石墨烯；(2)混粉：将表面处理后的石墨烯加入到有机溶剂中超声分散，然后加入铝合金粉搅拌混合均匀，除去溶剂后得到混合粉末；(3)烧结成型：将步骤(2)所得混合粉末进行放电等离子烧结成型，得到所述石墨烯增强铝合金材料。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述化学镀金属溶液是指化学镀Fe溶液、化学镀Ni溶液、化学镀Co溶液或化学镀Cu溶液。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强铝合金材料的制备方法，其特征在于：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱德智，申超，王春雨，杨玲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44