石墨烯钢复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯钢复合材料的制备方法，包括：提供混合液，所述混合液包括有机溶剂、石墨烯粉体和钢材粉体；将所述混合液进行干燥处理得到混合粉体；将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，所述热等静压的温度为920℃～1300℃，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及将所述复合材料坯体与所述包套分离。

Preparation of graphene Steel Composites

The invention discloses a preparation method of graphene steel composite material, which includes: providing a mixing liquid, the mixing liquid includes organic solvent, graphene powder and steel powder; drying the mixing liquid to obtain the mixing powder; loading the mixing powder after drying into the envelope for vacuum degassing treatment and sealing the envelope; The sealed envelope of the mixed powder is treated by hot isostatic pressing, and the temperature of the hot isostatic pressing is 920 ~1300 C, so that the mixed powder forms a composite material green body, and the composite material green body is separated from the envelope.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯钢复合材料的制备方法
本专利技术涉及钢基复合材料领域，特别是涉及石墨烯钢复合材料的制备方法。
技术介绍
钢材是制造业最基础的材料，现代装备制造业对于钢材的要求越来越高，必须具备高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、弹性极限、良好的冲击韧性、断裂韧性、尺寸稳定性等等。由于传统工艺及装备的限制，常规制造的钢材始终受到强度不足、韧性不够以及易磨损等限制，其使用寿命和性能仍不能满足现有高性能零件的加工需求。石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料，同时由于石墨烯的二维结构而使得其具有高韧性。因此，利用石墨烯的超高强度和硬度，并将其与钢或钢基复合材料复合，制备成石墨烯/钢复合材料成为现在研究的热点问题。然而，目前的工艺制备得到的石墨烯钢复合材料在机械性能方面的效果还有待提高。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种用以制备高机械性能的石墨烯钢复合材料的制备方法。一种石墨烯钢复合材料的制备方法，包括：提供混合液，所述混合液包括有机溶剂、石墨烯粉体和钢材粉体；将所述混合液进行干燥处理得到混合粉体；将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，所述热等静压的温度为920℃～1300℃，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及将所述复合材料坯体与所述包套分离。在其中一个实施例中，所述热等静压的温度为1100℃～1200℃。在其中一个实施例中，所述干燥处理的步骤包括；将所述混合液在40℃～50℃进行搅拌至半干状态，直至去除部分所述挥发性有机溶剂而形成浆料；以及将所述浆料进行真空干燥，全部去除所述浆料中的所述有机溶剂。在其中一个实施例中，所述真空干燥的温度为80℃～100℃。在其中一个实施例中，所述抽真空除气处理的步骤包括：将装载有所述混合粉体的所述包套抽真空至所述包套内的真空度为小于或等于1.0×10-2Pa；以及对装载有所述混合粉体的所述包套在所述真空度下进行加热，所述加热的温度为400℃～600℃。在其中一个实施例中，还包括：在所述干燥处理步骤和所述抽真空除气处理步骤之间，对所述干燥处理后的所述混合粉体进行低温球磨，所述低温球磨的温度为-80℃～-160℃。在其中一个实施例中，所述石墨烯钢复合材料中的所述石墨烯粉体的质量分数为0.01％～2％。在其中一个实施例中，所述钢材粉体的粒径为20μm～80μm。在其中一个实施例中，还包括：将所述复合材料坯体与所述包套分离之后，对所述石墨烯钢复合材料进行等温模锻的步骤，所述等温模锻的温度为850℃～1050℃。在其中一个实施例中，所述有机溶剂为无水乙醇。本专利技术通过将石墨烯粉体和钢材粉体进行机械混合、真空抽气和热等静压制备得到石墨烯钢复合材料。与未添加石墨烯的钢材相比，本专利技术制备得到的石墨烯钢复合材料具有更好的抗弯强度、硬度和冲击韧性。本专利技术的制备方法可使得石墨烯均匀分布到钢材粉体中，消除成分偏析。采用热等静压的粉体成型工艺，可得到完全致密化的石墨烯钢复合材料，有利于消除石墨烯钢复合材料内部孔隙和降低内部疏松，避免晶粒过度长大，从而提高石墨烯钢复合材料的机械性能。通过热等静压的方法实现粉体成型，简化了工艺步骤，有利于降低多步骤工艺过程中钢材粉体和石墨烯的氧化程度。通过控制热等静压的温度在920℃～1300℃，实现石墨烯粉体和钢材粉体的牢固结合，使得石墨烯粉体和钢材粉体之间具有良好的结合界面，形成具有高机械性能的石墨烯钢复合材料。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例对本专利技术的石墨烯钢复合材料的制备方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供一种石墨烯钢复合材料的制备方法，包括：S10，提供混合液，所述混合液包括有机溶剂、石墨烯粉体和钢材粉体；S20，将所述混合液进行干燥处理得到混合粉体；S30，将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；S40，将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，所述热等静压的温度为920℃～1300℃，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及S50，将所述复合材料坯体与所述包套分离。本专利技术实施例通过将石墨烯粉体和钢材粉体进行机械混合、真空抽气和热等静压制备得到石墨烯钢复合材料。与未添加石墨烯的钢材相比，本专利技术制备得到的石墨烯钢复合材料具有更好的抗弯强度、硬度和冲击韧性。本专利技术的制备方法可使得石墨烯均匀分布到钢材粉体中，消除成分偏析。采用热等静压的粉体成型工艺，可得到完全致密化的石墨烯钢复合材料，有利于消除石墨烯钢复合材料内部孔隙和降低内部疏松，避免晶粒过度长大，从而提高石墨烯钢复合材料的机械性能。通过热等静压的方法实现粉体成型，简化了工艺步骤，有利于降低多步骤工艺过程中钢材粉体和石墨烯的氧化程度。通过控制热等静压的温度在920℃～1300℃，实现石墨烯粉体和钢材粉体的牢固结合，使得石墨烯粉体和钢材粉体之间具有良好的结合界面，形成具有高机械性能的石墨烯钢复合材料。在步骤S10中，所述钢材粉体可以为各组成元素单质的粉体或者由对应的钢材破碎后得到的粉体。所述钢材粉体以占总质量80％以上的铁作为基本元素，并包括非石墨类碳元素及其他合金元素。所述其他合金元素可以包括Cr、Mo和Si中的一种或多种，优选还包括Mn、Cu和Ni中的一种或多种。以得到的石墨烯复合材料为总体进行计算，在所述石墨烯复合材料中，所述非石墨类碳元素的质量分数可以为0.5％～2.0％，优选为0.7％～1.5％；所述其他合金元素优选的质量分数可以为：Cr：15％～20％；Mo：0.2％～0.8％；Mn：0.5％～0.7％；Si：0.2％～0.45％；Cu：0.15％～0.23％；Ni：0.2％～0.3％。所述钢材粉体中P和S元素优选控制在较低的含量范围，使得在石墨烯复合材料中，P的质量分数小于或等于0.035％，S的质量分数小于或等于0.03％。各元素含量可以根据复合材料的应用领域的不同进行进一步调整。所述石墨烯粉体在所述石墨烯复合材料中的质量分数可以为0.01％～2％。所述石墨烯为原始的石墨烯，即未被氧化或连接功能基团的石墨烯，石墨烯的层数可为1～8层，优选的，所述石墨烯的层数为1～3层，所述石墨烯的层数越少，形成的石墨烯钢复合材料的机械性能越好。优选的，所述石墨烯粉体在所述石墨烯复合材料中的质量分数可以为0.05～0.5％。所述钢材粉体的粒径可以为20μm～80μm，所述石墨烯粉体的片径可以为5μm～50μm，该粒径范围更有利于钢材粉体与石墨烯粉体之间的均匀混合以及相互配合的提高石墨烯钢复合材料的机械性能。在一实施例中，所述有机溶剂可以为挥发性的有机溶剂，通过将所述石墨烯粉体和钢材粉体在所述挥发性的有机溶剂中均匀混合的方式将石墨烯粉体分散到钢材粉体中。优选的，所述混合液中不含水。通过进一步蒸发所述挥发性的有机溶剂，形成石墨烯粉体和钢材粉体的混合粉体，用于加工石墨烯钢复合材料。可选的，所述挥发性的有机溶剂可以为乙醇、甲醇、异丙醇等高挥发性溶剂。优选的，所述有机溶剂为无水乙醇。在一实施例中，提供所述混合液的步骤可以包括：S12，将所述石墨烯粉体和所述钢材粉体在干燥状态进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯钢复合材料的制备方法，包括：提供混合液，所述混合液包括有机溶剂、石墨烯粉体和钢材粉体；将所述混合液进行干燥处理得到混合粉体；将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，所述热等静压的温度为920℃～1300℃，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及将所述复合材料坯体与所述包套分离。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯钢复合材料的制备方法，包括：提供混合液，所述混合液包括有机溶剂、石墨烯粉体和钢材粉体；将所述混合液进行干燥处理得到混合粉体；将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，所述热等静压的温度为920℃～1300℃，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及将所述复合材料坯体与所述包套分离。2.根据权利要求1所述的石墨烯钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述热等静压的温度为1100℃～1200℃。3.根据权利要求1所述的石墨烯钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述干燥处理的步骤包括：将所述混合液在40℃～50℃进行搅拌至半干状态，直至去除部分所述挥发性有机溶剂而形成浆料；以及将所述浆料进行真空干燥，全部去除所述浆料中的所述有机溶剂。4.根据权利要求3所述的石墨烯钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述真空干燥的温度为80℃～100℃。5.根据权利要求1所述的石墨烯钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述抽真空除气处理的步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹振，李炯利，郭建强，李文博，王旭东，
申请(专利权)人：北京石墨烯技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11