一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用，该复合材料主要是由钛或钛合金作为钛基体，表面修饰了纳米TiC的石墨烯作为增强相，并且匀分布在钛基体颗粒周围形成网络状结构。本发明专利技术采用三维机械混合的方法先在钛基体颗粒表面包覆一层纳米TiC，然后包裹一层石墨烯，得到芯部为钛颗粒，中间层为纳米TiC，表层为石墨烯的核‑壳结构。该方法克服了传统湿法球磨中难以实现石墨烯均匀包覆到钛颗粒表面的问题。纳米TiC的存在一定程度上减少了在制备过程中石墨烯与钛基体的界面反应，经烧结成型得到纳米TiC修饰石墨烯增强的钛基复合材料。该复合材料的强度高，塑性强，成型加工性能良好，可以应用在航空航天及船舶舰艇制造工业。

A nano tic modified graphene reinforced titanium matrix composite and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用，属于金属基复合材料

技术介绍
钛及钛合金具有比强度、比模量高、耐极端条件环境的特性，可以广泛应用与于航空航天及汽车工业等领域。在降低能源消耗和提高发动机推重比方面有着相当大的应用潜力。因此钛基复合材料(TiMCs)的研制对进一步提高钛合金的性能、拓展钛合金的应用前景具有重要的意义。目前采用粉末冶金技术制备的非连续钛基复合材料的(DRTMCs)的最佳增强相是陶瓷材料TiC颗粒或者TiB晶须。但陶瓷材料增强相的弹性模量和断裂强度都远不如碳纳米管、纳米金刚石或石墨烯之类的纳米碳增强体。这意味着可以通过纳米碳增强体进一步提升钛基复合材料的力学性能。石墨烯是继碳纳米管之后非常有发展潜力的纳米新材料，其原子经过sp2杂化形成二维六角型蜂巢结构，这使得它比碳纳米管更容易分散。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，因此在材料、能源、生物等方面具有重要的应用前景，是一种未来革命性材料。目前石墨烯增强钛基复合材料的报道中只有少数研究者在石墨烯表面进行修饰镍金属颗粒(Carbon137(2018)146-155)，多数研究者将石墨烯直接增强钛基复合材料(MaterialsScience&EngineeringA687(2017)164-174；CompositesPartA123(2019)86-96；JournalofAlloysandCompounds765(2018)1111-1118，以及本申请专利技术人团队前期的专利CN201810801698.5)。石墨烯直接增强钛基复合材料面临着两大难题，一是石墨烯与钛基体的润湿性差，很难实现石墨烯在钛基体中的可控分布；二是在制备过程中石墨烯容易与钛基体反应生成TiC。论文报道的石墨烯增强钛基复合材料多采用超声震荡-湿法球磨的方式制备。如张洪梅等人的专利“一种低含量少层石墨烯增强的钛基复合材料及制备方法”(CN201610228318.4)中，石墨烯粉末与无水乙醇混合搅拌后加入钛粉形成混合浆料，然后将混合浆料进行球磨并干燥。但湿法球磨往往无法将高比表面积的石墨烯有效均匀地分散在钛基体表面，这主要是因为石墨烯与钛基体的结合并不紧密，且石墨烯的密度很小，球磨静置后容易从钛基体上脱落并悬浮在料浆表面。石墨烯在烧结过程中易与钛基体发生界面反应生成TiC,目前的研究报道中大多采用放电等离子烧结系统(SPS)在低温高压的条件下将石墨烯部分保留下来(MaterialsScience&EngineeringA725(2018)541–548)。但采用SPS低温高压烧结的复合材料往往不够致密，力学性能达不到要求，且高压SPS烧结只能烧结小尺寸的样品，无法满足工业化生产。减少石墨烯与钛基体反应最理想的措施应该是对石墨烯进行表面修饰。邓春辉等人的专利“一种聚多巴胺修饰石墨烯并在表面固定Ti4+纳米材料的合成方法及其应用”(CN201310077269.5)中用聚多巴胺修饰了石墨烯表面，使材料具有很好的生物相容性和环境稳定性。张春华等人的专利“一种纳米银修饰石墨烯的方法”(CN201410360213.5)中通过银氨溶液在石墨烯表面修饰了纳米银。因此，目前对石墨烯的修饰多应用在生物医药和电化学领域，而在航空航天等领域的钛基复合材料的应用很少。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述技术问题，本专利技术的一个目的在于提供一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料。其中，石墨烯表面修饰了一层纳米TiC后作为增强体，能够均匀地分散在钛基体中，并一定程度上减少石墨烯与钛基体的界面反应。石墨烯的保留一方面能够转移基体的载荷，提高基体的承载能力，另一方面能够产生奥罗万(Orowan)环，阻止位错的运动。因此纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料具有高强度和高塑性的综合力学性能。本专利技术的另一目的在于提供一种制备纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料的方法。通过利用三维混料的方法在钛颗粒表面先包覆一层纳米TiC，再包裹一层石墨烯，得到得到芯部为钛颗粒，中间层为纳米TiC，表层为石墨烯的核-壳结构，实现石墨烯表面修饰纳米TiC的效果。最后烧结成型得到网络状钛基复合材料。本专利技术的最后目的在于提供了所述的纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料作为航空航天部件材料的应用。技术方案：为了实现上述目的，本专利技术技术方案如下：一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料，其主要是由钛或钛合金作为钛基体，表面修饰了纳米TiC的石墨烯作为增强相，在复合材料的微观结构中，表面修饰纳米TiC的石墨烯均匀分布在钛基体颗粒周围形成三维网络状结构。所述纳米TiC的粒径为1-100nm，所述石墨烯为片状石墨烯，片厚1--50nm，直径0.1-50μm，所述钛基体的粉末颗粒是球形颗粒或者不规则颗粒，颗粒尺寸为1-500μm.所述钛基体为纯钛，或钛与其它合金化元素铝、钒、钼、铌、钽、锆、铁、硅等组成的合金。所述的纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)表面包裹纳米TiC：取纯钛或钛合金粉末，加入纳米TiC粉末，在高纯氩气或者空气气氛中混合10-20h；(2)表面包裹石墨烯：取步骤(1)所得产品，加入石墨烯粉末，继续混合10-20h；(3)烧结成型：取步骤(2)所得产品，进行放电等离子烧结或热压烧结，即得所述纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料。优选，步骤(1)和(2)中的混合，是采用三维混料方法进行干法混合，球料比为1:1-5:1，转速为30-150r/min。即加入不锈钢或氧化锆或氧化铝磨球，在三维混料机中混合。优选，制备方法包括以下步骤：(1)表面包裹纳米TiC：取球形或者不规则的纯钛或钛合金粉末，加入纳米TiC粉末，加入5-20mm尺寸的不锈钢或氧化锆磨球，在三维混料机中混合10-20h，混料气氛为高纯氩气或者空气，使纳米TiC包覆在钛颗粒表面。(2)表面包裹石墨烯：取步骤(1)所得产品，加入石墨烯粉末，在三维混料机中混合10-20h，使石墨烯包覆在修饰纳米TiC的钛颗粒表面。(3)烧结成型：根据需要产品的尺寸参数，取步骤(2)所得产品，在真空或氩气条件下进行放电等离子烧结或热压烧结，即得所述表面修饰碳化钛的石墨烯增强钛基复合材料。上述方法中以质量比计，所述纳米TiC的添加比例为钛基体质量的0.01％-0.1％,优选0.03％-0.05％，所述石墨烯的添加比例为钛基体质量的0.01％-0.5％，优选0.2％-0.5％。所述放电等离子烧结的条件为：压力为10-80MPa、温度为900-1200℃，升温速度为20-150℃/min，在最高烧结温度保温时间为1-60min，烧结气氛为高纯氩气或者真空；所述热压烧结的条件为：在真空或者惰性气氛保护下、压力为10-80MPa、温度为1000-1400℃，升温速度为10-100℃/min，在最高烧结温度保温时间为10-180min。进一步优选的制备方法包括以下步骤：(1)计算称量原始粉末：称量相应质量的钛粉末、石墨烯粉末和纳米TiC粉末，石墨烯粉末相对于钛基体的质量分数为0.01wt.％-0.5wt.％，纳米TiC粉末相对于钛基体的质量分数为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料，其特征在于，所述复合材料主要是由钛或钛合金作为钛基体，表面修饰了纳米TiC的石墨烯作为增强相，并且均匀分布在钛基体颗粒周围形成网络状结构。

【技术特征摘要】
1.一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料，其特征在于，所述复合材料主要是由钛或钛合金作为钛基体，表面修饰了纳米TiC的石墨烯作为增强相，并且均匀分布在钛基体颗粒周围形成网络状结构。2.根据权利要求1所述的纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料，其特征在于，所述纳米TiC的粒径为1-100nm，所述石墨烯为片状石墨烯，片厚1-50nm，直径0.1-50μm，所述钛基体的粉末颗粒是球形颗粒或者不规则颗粒，颗粒尺寸为1-500μm。3.根据权利要求1所述的纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料，其特征在于，所述钛基体为纯钛，或钛与铝、钒、钼、铌、钽、锆、铁、硅中的一种或几种组成的合金。4.权利要求1-3任一项所述的纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)表面包裹纳米TiC：取纯钛或钛合金粉末，加入纳米TiC粉末，在高纯氩气或者空气气氛中混合10-20h；(2)表面包裹石墨烯：取步骤(1)所得产品，加入石墨烯粉末，在高纯氩气或者空气气氛中继续混合10-20h；(3)烧结成型：取步骤(2)所得产品，进行放电等离子烧结或热压烧结，即得所述纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：张法明，张彬，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32