一种石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料及其制备方法技术

一种石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料及其制备方法，涉及一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法。是要解决现有复合材料中石墨烯与镁基体润湿性差，石墨烯分散性差，界面结合强度低的问题。该复合材料由氧化物、石墨烯和镁基体三种原料制成。方法：一、搅拌铸造或粉末冶金；二、热变形：将铸态复合材料或烧结态复合材料进行热挤压或者轧制变形。本方法制备的复合材料界面处无孔洞、无杂相，石墨烯与基体润湿较好，石墨烯与基体之间界面作用较强。本发明专利技术用于镁基复合材料领域。

Graphene and self generated nano Magnesium Oxide particles composite reinforced magnesium matrix composite and preparation method thereof

The invention relates to a graphene reinforced magnesium matrix composite and a preparation method thereof, and relates to a graphene reinforced magnesium matrix composite and a preparation method thereof. To solve the problems of poor wettability between graphene and magnesium matrix, poor dispersion of graphene and low interfacial bonding strength in existing composite materials. The composite material is made of three kinds of raw materials: oxide, graphene and magnesium matrix. Methods: First, mixing casting or powder metallurgy; second, thermal deformation: hot extrusion or rolling deformation of as-cast or sintered composite materials. The composite prepared by this method has no holes and impurities at the interface, good wettability between graphene and matrix, and strong interaction between graphene and matrix. The invention is applied to the field of magnesium matrix composite materials.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着全球经济的巨大发展，传统金属材料的消耗与日俱增，常用金属矿产正逐年短缺。同时，经济发展对能源的过度开采与对环境的污染等问题日益严重，已经成为国家可持续发展中亟须解决的问题之一。镁的密度为1.74g/cm3，仅为铁的25％，具有高的比强度、比刚度，优良的减震性，可回收使用等特性而成为世界上最轻的结构材料。因此，镁及其合金在航空航天、军事、交通及电子产品等领域具有广泛的应用前景。镁合金在以上领域的应用以每年15％左右的速度增长。我国具有丰富的镁蕴藏量，约占世界探明储量的25％以上，青海省柴达木盆地镁盐(MgCl2)已探明储量60.5亿吨，占全国保有储量的96.8％，具有独特的资源优势。尽管如此，由于镁合金的强度、弹性模量、磨损抗力等机械性能较低，限制了其作为结构材料的应用。镁合金的高膨胀系数及抗高温蠕变性能差，更是限制了其在大于150℃的高温条件下的使用。近年来，石墨烯作为一种新型的增强体材料，引起了各研究领域的广泛关注。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道结合，只有单原子层厚度的二维材料，是构成碳质材料的基本单元。石墨烯的这种特殊结构使其表现出非常优异的物理性能和机械性能，从而使其具有突出的力学性能和导热导电性能。例如，其强度高达130GPa，载流子迁移率为15000cm2/(V·s)，二者均为已知材料之最。利用粉末冶金技术通过向Mg-Al镁合金中添加0.3wt.％的石墨烯纳米片，可使基体合金的杨氏模量、屈服强度、延伸率分别提高1.3倍、0.49倍和0.74倍，其抗拉强度达到246MPa，延伸率为16.9％。由此可见，石墨烯作为镁的增强体具有巨大的潜力。但是，由于石墨烯与镁基体间的不润湿性，简单的将石墨烯和镁基体进行混合将导致较弱的界面结合强度，较弱的界面结合强度对提升复合材料性能不利，这限制了复合材料的进一步应用。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有复合材料中石墨烯与镁基体润湿性差，石墨烯分散性差，界面结合强度低的问题，提供一种石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料及其制备方法。本专利技术石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料由氧化物、石墨烯和镁基体三种原料制成，其中氧化物和石墨烯的质量比为1:(1～5)，石墨烯占三种原料总质量的0.1％～2.0％，其余为镁基体。进一步的，所述氧化物为氧化锌、氧化铝、氧化硅、氧化镍、氧化铜或氧化铁。进一步的，所述镁基体为纯镁或镁合金。进一步的，所述石墨烯为氧化石墨烯、石墨烯、石墨烯纳米片中的一种或几种按任意比组成的混合物。上述石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：一、搅拌铸造采用化学沉淀法或溶胶凝胶法对石墨烯进行氧化物涂层包覆，得到含有氧化物涂层的石墨烯粉体；将含有氧化物涂层的石墨烯粉体加入预先融化的镁液中，并进行搅拌分散，搅拌速度为800-1000转/分，然后进行超声处理，超声功率为600-800W，超声时间为10-30min，接着在压力机上进行压铸，压铸模具需在300-350℃预热30-60min，压铸时的压力为5-10MPa，得到铸态复合材料；其中氧化物和石墨烯的质量比为1:(1～5)，石墨烯占氧化物、石墨烯和镁三种原料总质量的0.1％～2.0％，其余为镁。二、热变形：将铸态复合材料进行热挤压或者轧制变形；所述热挤压的条件为：挤压温度300～450℃，挤压比：(5～25):1，挤压速度为0.1-0.5mm/s；所述热轧制的条件为：轧制温度：300～450℃，下轧量：30％～80％，轧制速度为20-30mm/s。进一步的，步骤一所述镁液为纯镁溶液或镁合金溶液。上述石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：一、粉末冶金采用化学沉淀法或溶胶凝胶法对石墨烯进行氧化物涂层包覆，得到含有氧化物涂层的石墨烯粉体；将含有氧化物涂层的石墨烯粉体与镁粉进行球磨，球磨转速为200-300转/分钟，球磨时间2-5h，然后进行烧结，得到烧结态复合材料；其中氧化物和石墨烯的质量比为1:(1～5)，石墨烯占氧化物、石墨烯和镁三种原料总质量的0.1％～2.0％，其余为镁。二、热变形：将烧结态复合材料进行热挤压或者轧制变形。所述热挤压的条件为：挤压温度300～450℃，挤压比：(5～25):1，挤压速度为0.1-0.5mm/s；所述热轧制的条件为：轧制温度：300～450℃，下轧量：30％～80％，轧制速度为20-30mm/s。进一步的，步骤一所述烧结方法为热压烧结或放电等离子烧结。其中热压烧结温度为500-550℃，烧结时间为1-2h；放电等离子烧结的烧结温度为500-550℃，烧结时间为5-20min。本专利技术的有益效果：由于石墨烯与镁基体间的润湿性较差、分散困难，影响复合材料的力学性能。增强体与基体材料间的界面是复合材料性能的关键问题，而界面设计是改善金属基复合材料界面的有效手段。增强体表面涂层则是控制复合材料界面最有效的途径之一。本专利技术通过对石墨烯表面进行氧化物涂层包覆，氧化物涂层增加了石墨烯的密度，形成了多孔疏松结构，便于在镁基体中分散均匀。高温下氧化物会与镁发生原位反应，氧化物涂层改变了石墨烯与镁基体的界面结合状态，可有效提高石墨烯与镁基体间的界面结合强度，最终提高复合材料性能。本方法制备的复合材料界面处无孔洞、无杂相，石墨烯与基体润湿较好，石墨烯与基体之间界面作用较强。本专利技术制备的复合材料的屈服强度可达到226MPa，拉伸强度可达328MPa，硬度达到97(HV)。本方法制备的复合材料表面经过20％的硝酸溶液腐蚀后，石墨烯裸露在复合材料表面，无团聚现象，石墨烯分散均匀。与传统的制备方法相比，氧化物涂层改善了石墨烯在镁基体中的分散性，界面原位反应解决了石墨烯和镁界面润湿性差的问题，使复合材料的力学性能显著提高，在航空航天、军事、交通及电子产品等领域具有良好的产业化前景。附图说明图1为实施例1制备的复合材料的润湿性试验结果；图2为实施例1制备的复合材料表面经过20％硝酸溶液腐蚀后的扫描电镜照片；图3为图2中局部的放大图。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料由氧化物、石墨烯和镁基体三种原料制成，其中氧化物和石墨烯的质量比为1:(1～5)，石墨烯占三种原料总质量的0.1％～2.0％，其余为镁基体。本实施方式的法成本较低，设备要求简单，绿色无污染。所制备的复合材料中石墨烯分散均匀，石墨烯与镁基体间界面结合强度高，复合材料具有高强度和高延伸率。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述氧化物为氧化锌、氧化铝、氧化硅、氧化镍、氧化铜或氧化铁。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述镁基体为纯镁或镁合金。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述石墨烯为氧化石墨烯、石墨烯、石墨烯纳米片中的一种或几种按任意比组成的混合物。其它与具体实施方式一相同。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料，其特征在于该复合材料由氧化物、石墨烯和镁基体三种原料制成，其中氧化物和石墨烯的质量比为1:(1～5)，石墨烯占三种原料总质量的0.1％～2.0％，其余为镁基体。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料，其特征在于该复合材料由氧化物、石墨烯和镁基体三种原料制成，其中氧化物和石墨烯的质量比为1:(1～5)，石墨烯占三种原料总质量的0.1％～2.0％，其余为镁基体。2.根据权利要求1所述的石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料，其特征在于：所述氧化物为氧化锌、氧化铝、氧化硅、氧化镍、氧化铜或氧化铁。3.根据权利要求1所述的石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料，其特征在于：所述镁基体为纯镁或镁合金。4.根据权利要求1所述的石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料，其特征在于：所述石墨烯为氧化石墨烯、石墨烯、石墨烯纳米片中的一种或几种按任意比组成的混合物。5.如权利要求1所述的石墨烯及反应自生纳米氧化镁颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：一、搅拌铸造采用化学沉淀法或溶胶凝胶法对石墨烯进行氧化物涂层包覆，得到含有氧化物涂层的石墨烯粉体；将含有氧化物涂层的石墨烯粉体加入预先融化的镁液中，并进行搅拌分散，搅拌速度为800-1000转/分，然后进行超声处理，超声功率为600-800W，超声时间为10-30min，接着在压力机上进行压铸，压铸模具需在300-350℃预热30-60min，压铸时的压力为5-10MPa，得到铸态复合材料；其中氧化物和石墨烯的质量比为1:(1～5)，石墨烯占氧化物、石墨烯和镁三种原料总质量的0.1％～2.0％，其余为镁；二、热变形：将铸态复合材料进行热挤压或者轧制变形；所述热挤压的条件为：挤压温度300～450℃，挤压比：(5～25):1，挤压速度为0.1-0...

【专利技术属性】
技术研发人员：费维栋，王黎东，王秒，
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