一种石墨烯改性的硅铝复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯改性的硅铝复合材料及其制备方法，复合材料包括以下按质量百分比计的组分：0.5％～2％石墨烯、10％～18％硅、80％～89.5％铝基体，其中铝基体的成分及质量百分比为：Cu 4％‑5％、Mg 0.5％‑1.0％、Si 4％‑7％、余量为Al。本发明专利技术巧妙的将石墨烯引入铝硅合金，且通过改进的粉末冶金法实现了与传统铸造方法生产的铝硅合金类似的石墨烯改性硅增强铝复合材料，且具备了优异的导热性、耐磨性和力学性能，相比于高含量铝硅合金的传统铸造法，该方法制备工艺更加简单，工艺更稳定，材料性能稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯改性的硅铝复合材料及其制备方法
本专利技术涉及铝基复合材料设计及制备
，具体涉及一种石墨烯改性的硅铝复合材料及其制备方法。
技术介绍
在汽车制造领域，对汽车发动机提出了更高速度、更高功率的迫切需求，而发动机活塞的传统选择材料为铝硅合金，其中Si含量越高，该材料的耐磨性和耐高温性能越优异，而随着带来的问题是制备工艺更加复杂，甚至Si含量更高时，传统铸造工艺甚至无法实现大批量生产，如高品质A390合金是高级汽车发动机活塞的优选材料，但是国内目前并不具备大规模生产能力。随着Si含量增加，合金中初晶硅和共晶硅的尺寸与形态控制是实现材料成功制备与否的关键。众所周知，当过共晶铝硅合金中的初晶硅平均尺寸保持在40μm以下，共晶硅平均尺寸12μm以下，且共晶硅形态为近球形时，过共晶铝硅合金才能具备优异的力学、耐磨以及良好的尺寸稳定性等优异的综合性能。以及铸造过程中温度场的控制技术。因此，先进的初晶硅及共晶硅成分和形态的控制技术就是决定高硅铝合金传统熔炼水平问题。
技术实现思路
针对上述已有高硅铝合金技术存在的不足，本专利技术提供一种石墨烯改性的硅铝复合材料及其制备方法，本专利技术巧妙的将石墨烯引入铝硅合金，且通过改进的粉末冶金法实现与传统铸造方法生产的铝硅合金类似的石墨烯改性硅增强铝复合材料，本专利技术的材料具备优异的导热性、耐磨性和力学性能，相比于现有的高含量铝硅合金，制备工艺更加简单、工艺更稳定。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下按质量百分比计的组分：0.5％～2％石墨烯、10％～18％硅、80％～89.5％铝基体。根据上述的石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下按质量百分比计的组分：0.8％～1.6％石墨烯、12％～16％硅、82.4％～87.2％铝基体。根据上述的石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下按质量百分比计的组分：0.9％～1.2％石墨烯、13％～15％硅、83.8％～86.1％铝基体。根据上述的石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述石墨烯的层数为10-25层，所述石墨烯的平均直径为100nm-1μm；所述硅为纯硅颗粒，纯硅颗粒的平均直径为30μm-60μm；所述铝基体为铝合金粉末，铝合金粉末的直径分布为1μm-50μm，所述铝基体的成分及质量百分比为：Cu4％-5％、Mg0.5％-1.0％、Si4％-7％、余量为Al。一种基于上述的石墨烯改性的硅铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)使用V型混料机将硅颗粒和铝基体的粉末混合均匀得到第一混合粉末，将第一混合粉末和石墨烯加入至酒精溶液中搅拌均匀后置于自然通风处晾干，得到第二混合粉末；V型混料机的气氛为氮气、转速为20r/min-30r/min、球料比为3～1:1、磨球的材质为氧化铝；将第一混合粉末和石墨烯加入至酒精溶液中搅拌均匀的工艺条件为：搅拌装置为电磁搅拌装置、搅拌次数为3-5次、搅拌时间为每次10min-15min、搅拌频率为0.5Hz-2Hz；(2)将第二混合粉末加入钢模具，将钢模具置于普通加热炉中进行预压，预压的工艺条件为：加热温度为100℃-150℃、预压压力为100MPa-150MPa、保压时间为5min-10min；(3)将预压后的钢模具置于真空炉中进行热压烧结，得到未脱模的石墨烯改性的硅铝复合材料，热压烧结的工艺条件为：真空度为1.5×10-3Pa-3.5×10-3Pa、加热温度为565℃-585℃、保温时间为3min-5min、热压压力为30MPa-45MPa、保压时间为3min-5min；(4)将未脱模的石墨烯改性的硅铝复合材料随同钢模具同时取出后喷水冷却至钢模具的温度降低至室温后脱模，得到石墨烯改性的硅铝复合材料坯料；所述喷水冷却的冷却速率为10℃/s-12℃/s；(5)将石墨烯改性的硅铝复合材料坯料置于退火炉中退火处理，得到石墨烯改性的硅铝复合材料；所述退火处理包括两级退火处理工艺，第一级退火处理工艺的条件为：第一级退火温度为465℃-495℃、第一级退火时间为0.5h-1h；第二级退火处理工艺的条件为：第二级退火温度为330℃-360℃、第二级退火时间为6h-9h。本专利技术的有益技术效果：本专利技术提供了一种新型的汽车发动机活塞用复合材料的配方和其制备方法。该复合材料经过石墨烯改性后，有效的提高了导热性、耐磨性和力学性能。相比于传统的铸造法制备的过共晶铝硅合金，工艺简单且更为稳定，工艺控制难度小。具体实施方式本专利技术的一种石墨烯改性的硅铝复合材料，包括以下按质量百分比计的组分：0.5％～2％石墨烯、10％～18％硅、80％～89.5％铝基体。石墨烯的层数为10-25层，石墨烯的平均直径为100nm-1μm；硅为纯硅颗粒，纯硅颗粒的平均直径为30μm-60μm；铝基体为铝合金粉末，铝合金粉末的直径分布为1μm-50μm，铝基体的成分及质量百分比为：Cu4％-5％、Mg0.5％-1.0％、Si4％-7％、余量为Al。石墨烯改性的硅铝复合材料的成分：首先石墨烯够有效的强化材料的导热性并降低材料本身的摩擦系数，增强耐磨性；其次，30μm-60μm的纯硅颗粒可以有效的充当铸造法制备铝硅合金中的初晶硅相，同期发挥相同的作用；再次，铝基体中的Si元素可以在石墨烯改性的硅铝复合材料制备过程中形成共晶硅相；最后，铝基体中Cu元素和Mg元素的添加能够有效的增加石墨烯改性的硅铝复合材料的机械性能。石墨烯改性的硅铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)干湿法粉末混合：使用V型混料机将硅颗粒和铝基体的粉末混合均匀得到第一混合粉末，V型混料机的气氛为氮气、转速为20r/min-30r/min、球料比为3～1:1、磨球的材质为氧化铝。将第一混合粉末和石墨烯加入至酒精溶液中搅拌均匀，得到糊状物，将糊状物置于自然通风处晾干，得到第二混合粉末；将第一混合粉末和石墨烯加入至酒精溶液中搅拌均匀的工艺条件为：搅拌装置为电磁搅拌装置、搅拌次数为3-5次、搅拌时间为每次10min-15min、搅拌频率为0.5Hz-2Hz。干湿法粉末混合的目的是降低纯硅颗粒的缺陷并将完美的石墨烯改性剂引入到混合粉体中。首先，使用V型混料机，并且在转速较低的水平(转速为20r/min-30r/min)和较低的球料比(球料比为3-1:1)条件下，能够有效的减小混合过程中的能量，减弱磨球对纯硅颗粒的碰撞强度，有效保护纯硅颗粒的完整性。其次，混合过程中使用氮气作为保护气氛，能够减小混粉过程中铝粉的氧化作用，保证后续制备过程中良好的界面结合状态。最后，将石墨烯与所有粉体同时加入到酒精中进行混合，能够最大程度保证石墨烯结构不受破坏，而且搅拌装置为电磁搅拌装置，保证石墨烯的均匀混合。在此操作小，保证了复合材料中主要的增强相Si和改性剂石墨烯的完整性，确保且性能的完美发挥。(2)预压排气：将第二混合粉末加入钢模具，将钢模具置于普通加热炉中进行预压，预压的工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下按质量百分比计的组分：0.5％～2％石墨烯、10％～18％硅、80％～89.5％铝基体。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下按质量百分比计的组分：0.5％～2％石墨烯、10％～18％硅、80％～89.5％铝基体。


2.根据权利要求1所述的石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下按质量百分比计的组分：0.8％～1.6％石墨烯、12％～16％硅、82.4％～87.2％铝基体。


3.根据权利要求1所述的石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下按质量百分比计的组分：0.9％～1.2％石墨烯、13％～15％硅、83.8％～86.1％铝基体。


4.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯改性的硅铝复合材料，其特征在于，所述石墨烯的层数为10-25层，所述石墨烯的平均直径为100nm-1μm；所述硅为纯硅颗粒，纯硅颗粒的平均直径为30μm-60μm；所述铝基体为铝合金粉末，铝合金粉末的直径分布为1μm-50μm，所述铝基体的成分及质量百分比为：Cu4％-5％、Mg0.5％-1.0％、Si4％-7％、余量为Al。


5.一种基于权利要求1所述的石墨烯改性的硅铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)使用V型混料机将硅颗粒和铝基体的粉末混合均匀得到第一混合粉末，将第一混合粉末和石墨烯加入至酒精溶液中搅拌均匀后置于自然通风处晾干，得到第二混合粉末；V型混料机的气氛...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄铁明，冯永平，池海涛，张建雷，刘金霞，
申请(专利权)人：福建祥鑫股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35