石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料及其制备方法，包括铝基体和增强相，其中，所述增强相由碳化硅和石墨烯组成，所述铝基体的粒径为10μm、所述碳化硅的粒径为100nm‑1μm、所述石墨烯的直径为5‑10μm、厚度为3‑10nm。本发明专利技术通过长时间的高能球磨可实现石墨烯片包覆碳化硅颗粒，改善碳化硅颗粒与铝基体的界面润湿性，进而解决增强相在铝合金基体中分散难的问题。高韧性和高硬度的纳米混杂增强相同时加入到铝基体中可以发挥两者协同强韧化的作用。整个制备过程，工艺简单可行，可实现规模化生产。

Graphene and silicon carbide hybrid reinforced aluminium matrix composites and their preparation methods

The invention provides a graphene and silicon carbide hybrid reinforced aluminium matrix composite material and a preparation method thereof, including an aluminium matrix and a reinforcing phase, wherein the reinforcing phase is composed of silicon carbide and graphene, the particle size of the aluminium matrix is 10 micron, the particle size of the silicon carbide is 100 nanometer 1 micron, the diameter of the graphene is 5 10 micron, and the thickness is 3 10 nanometer. The invention can realize graphene sheet coated with silicon carbide particles by high energy ball milling for a long time, improve the interfacial wettability between silicon carbide particles and aluminium matrix, and solve the problem of difficult dispersion of reinforcing phase in aluminium alloy matrix. When the nano-hybrid reinforcement with high toughness and hardness is the same, it can play a synergistic role in strengthening and toughening when it is added to the aluminum matrix. The whole preparation process is simple and feasible, and can realize large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及纳米相增强铝基复合材料及其制备
，特别涉及一种石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
铝基复合材料具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、可设计性强、加工成型工艺简单和开发成本低廉的特点，广泛应用于航天、航空、武器装备和汽车等工业领域，以满足轻质、高性能的需求。目前，铝基复合材料的增强体主要分为连续纤维增强体和非连续纤维增强体(包括颗粒、短纤维、晶须等)。其中以颗粒增强铝基复合材料的制备、成型研究最多，工程应用范围最广，技术成熟度最高。但由于在铝基体中引入了硬质增强颗粒而导致铝基体的韧性急剧下降，仍无法满足高强韧性要求的应用领域。增强体的尺度、形状和种类对金属基复合材料的性能具有重要的影响，多尺度、多种类混杂增强铝基复合材料较单一尺度、单一物相增强的铝基复合材料性能更加优良、均衡。特别是由于产生混杂效应将明显提高或改善原单一增强材料的某些性能，获得综合性能良好的复合材料，是一种新的复合材料设计与制备理念，有望在解决现阶段金属基复合材料中的性能瓶颈上取得突破。石墨烯是目前所发现最强韧的二维材料，其弹性模量达到1000GPa，抗拉强度达到125GPa，是结构钢的100倍，而密度却是结构钢的1/5。石墨烯被视为轻量化结构复合材料的理想增强和增韧材料。本专利技术综合利用碳化硅颗粒高强度、高模量的特性和石墨烯的高强度、高韧性的特性来进一步提高铝基复合材料性能，同时也是对发展高性能复合材料先进制备技术的有益探索。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料及其制备方法。使其解决了以往混杂增强铝基复合材料存在的增强相分布不均匀的缺陷。该方法工艺简单、可操作性强，通过固态球磨和真空热压将石墨烯和碳化硅颗粒均匀分散在铝合金基体中，界面干净，结合良好，两种增强相都起到了良好的增强效果。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料，其特征在于，包括铝基体和增强相，其中，所述增强相由碳化硅和石墨烯组成，所述铝基体的粒径为10-15μm、所述碳化硅的粒径为100nm-1μm、所述石墨烯的直径为5-10μm、厚度为3-10nm。进一步地，在上述复合材料中，将所述铝基体、所述碳化硅和所述石墨烯的总质量分数计为100％，其中所述铝基体的质量分数为97-99.5wt％，所述碳化硅的质量分数为0.25-2.0wt％，所述石墨烯的质量分数为0.25-1.0wt％。进一步地，在上述复合材料中，所述铝基体为铝锌镁铜系中的任意一种。另一方面，提供了一种制备上述复合材料的方法，包括如下步骤：1)将准备好的碳化硅和石墨烯混合得到增强相，然后将增强相与准备好的铝基体混合得到生产该复合材料所需的原料，将所述原料进行高能球磨，得到混合均匀的混合粉体；2)将步骤1)制得的混合粉体进行真空热压烧结，工艺参数为：真空度为1×10-4Pa-1×10-5Pa，热压温度为600-630℃，热压压力为100-200MPa，得到复合材料。进一步地，在上述制备方法中，在所述步骤1)中，所述高能球磨的转速为100-200r/min。进一步地，在上述制备方法中，在所述步骤1)中，所述高能球磨所用的球与所述原料的比例为5:1-7:1。进一步地，在上述制备方法中，在所述步骤1)中，所述高能球磨的时间为2-8小时。进一步地，在上述制备方法中，在所述步骤2)之后，还包括有步骤3)，将所述步骤2)中得到的热压烧结的复合材料依次进行固溶处理、水淬火处理和人工时效处理，固溶处理的温度为460-475℃、时间为120-180min，水淬火处理的温度为20-30℃、时间为50秒以下，然后对复合材料在120-135℃下人工时效16-24小时。进一步地，在上述制备方法中，在所述步骤1)之前，所述碳化硅还依次经过下述步骤：超声波分散、酸洗、粗化、敏化-活化的表面预处理。进一步地，在上述制备方法中，在所述步骤1)之前，所述石墨烯还依次经过下述步骤：超声波液相分散、过滤和干燥处理。分析可知，本专利技术公开一种石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料及其制备方法，生产该复合材料所用原料包括铝基体和增强相，其中，增强相由分散均匀的碳化硅颗粒和石墨烯组成。通过原料选择、固态球磨混料和真空热压法制备复合材料的步骤制备混杂增强铝基复合材料。本专利技术通过长时间的高能球磨可实现石墨烯片包覆碳化硅颗粒，改善碳化硅颗粒与铝基体的界面润湿性，进而解决增强相在铝合金基体中分散难的问题。高韧性和高硬度的纳米混杂增强相同时加入到铝基体中可以发挥两者协同强韧化的作用。整个制备过程，工艺简单可行，可实现规模化生产。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。其中：图1为本专利技术的实施例1所制备的复合材料的金相组织图。图2为本专利技术的实施例2所制备的复合材料的金相组织图。图3为本专利技术的实施例3所制备的复合材料的金相组织图。图4为本专利技术的对比例1所制备的复合材料的金相组织图。图5为本专利技术的实施例1、实施例2、实施例3所制备的复合材料和Al7075基体的X射线衍射对比图。图6为本专利技术的实施例1所制备的复合材料的扫描电镜图。图7为本专利技术的实施例2所制备的复合材料的扫描电镜图。图8为本专利技术的实施例3所制备的复合材料的扫描电镜图。具体实施方式下面将结合实施例来详细说明本专利技术。各个示例通过本专利技术的解释的方式提供而非限制本专利技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本专利技术的范围或精神的情况下，可在本专利技术中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本专利技术包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。如图1至图8所示，根据本专利技术的实施例，提供了一种石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料。包括铝基体和增强相，增强相由分散均匀的碳化硅颗粒和石墨烯组成，其中：铝基体，粒径为10-15μm(比如10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm)；碳化硅，为粉末状α-SiC，粒径为100nm-1μm(比如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm)，优选为100-800nm(比如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm)；石墨烯，为片层结构，直径为5-10μm(比如5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm)、厚度为3-10nm(比如3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm)；上述尺寸的碳化硅颗粒和石墨烯片能够抑制铝基体晶粒的长大，细化晶粒尺寸；同时能够有效地阻碍位错的运动，起到强化作用。目前尚无采用粉末冶金制备碳化硅与多层石墨烯混杂增强铝基合金方面的报道。进一步地，铝基体为铝锌镁铜系中的任意一种。进一步地，将铝基体、碳化硅颗粒和石墨烯的总质量分数计为100％，其中铝基体的质量分数为97-99.5wt％(比如97.2wt％、97.5wt％、97.8wt％、98.2wt％、98.5wt％、98.8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料，其特征在于，包括铝基体和增强相，其中，所述增强相由碳化硅和石墨烯组成，所述铝基体的粒径为10‑15μm、所述碳化硅的粒径为100nm‑1μm、所述石墨烯的直径为5‑10μm、厚度为3‑10nm。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯和碳化硅混杂增强铝基复合材料，其特征在于，包括铝基体和增强相，其中，所述增强相由碳化硅和石墨烯组成，所述铝基体的粒径为10-15μm、所述碳化硅的粒径为100nm-1μm、所述石墨烯的直径为5-10μm、厚度为3-10nm。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，将所述铝基体、所述碳化硅和所述石墨烯的总质量分数计为100％，其中所述铝基体的质量分数为97-99.5wt％，所述碳化硅的质量分数为0.25-2.0wt％，所述石墨烯的质量分数为0.25-1.0wt％。3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述铝基体为铝锌镁铜系中的任意一种。4.制备权利要求1～3任一项所述的复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将准备好的碳化硅和石墨烯混合得到增强相，然后将增强相与准备好的铝基体混合得到生产该复合材料所需的原料，将所述原料进行高能球磨，得到混合均匀的混合粉体；2)将步骤1)制得的混合粉体进行真空热压烧结，工艺参数为：真空度为1×10-4Pa-1×10-5Pa，热压温度为600-630℃，热压压力为100-200M...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓明，郑凯峰，赵彤，刘凤国，齐浩天，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21