一种氧化石墨烯和碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多结构碳相增强铝基复合材料及其制备方法，该复合材料由氧化石墨烯、碳纳米管、短切纤维丝和铝合金组成，密度为1.8～2.5g/cm3，抗拉强度为500～600MPa。通过等离子干法球磨将氧化石墨烯和碳纳米管均匀分散到铝合金粉体中得到混合粉体，再用流化床将短切纤维丝均匀分散到混合粉体中，进一步通过界面脱粘、纤维丝断裂等机制提高复合材料的强度。混合粉体热压烧结制得多结构碳相增强铝基复合材料。本发明专利技术可避免现有搅拌铸造法易出现短切纤维丝偏析和结团等问题，有利于金属粉体与无机非金属粉体的合金化，极大提升了粉磨效率，避免了球磨导致氧化石墨烯和碳纳米管非晶化现象，有利于制备多层次复合片状结构的金属材料。属材料。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化石墨烯和碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种铝基复合材料及其制备方法，尤其是涉及一种氧化石墨烯和碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]大涵道比商用航空发动机除了对性能、可靠性以及寿命具有较高的要求外，对排放、噪音的要求也越来越高，减轻发动机自重是实现以上需求的重要途经。发动机风扇叶片的工作温度为环境温度，目前主要采用空心设计的钛合金和树脂基复合材料，但是其制备难度大、周期长以及成本高的缺陷限制了其在风扇叶片上的应用，采用铝基复合材料制备航空发动机风扇叶片可以降低制备周期和成本。
[0003]传统的陶瓷颗粒增强铝基复合材料以陶瓷颗粒为增强相，铝合金为基体，这种方法制备的铝基复合材料虽然密度低、比强度高、耐磨性优异以及耐高温性能好；但是存在着一定的缺陷，陶瓷颗粒与基体浸润性差，界面反应难控制，陶瓷颗粒难以分散均匀，这都会弱化陶瓷颗粒的增强效果。
[0004]CN103725911A提出了一种氧化铝颗粒增强铝基复合材料的制备方法，将氧化铝陶瓷颗粒与铝粉末均匀混合，进行热压和热加工后制得，陶瓷颗粒与基体的弱界面结合导致其力学性能并不突出。
[0005]CN109439940B提出了一种大气气氛下热压烧结制备颗粒增强铝基复合材料的方法，用于制备颗粒增强铝基复合材料，克服现有热压烧结制备复合材料工艺复杂，成本高和生产效率低的缺点。所用陶瓷颗粒与铝合金粉为同级别粒度的颗粒，且陶瓷颗粒增强相与基体之间的界面结合强度仍不理想。
[0006]CN104073674B专利技术了一种石墨烯铝基复合材料的制备方法，为了解决石墨烯体积分数低的问题。先制备铝金属粉末，然后用球磨的方法制备复合粉体，冷压后制成预制体，接着熔炼铝液，最后利用压力浸渗将铝液浸渗到预制体中，保压冷却脱模后即得石墨烯铝基复合材料。
[0007]目前铝合金的强度应用于航空航天领域尚有不足，通过不同结构的增强相如石墨烯、碳纳米管、短切纤维丝以及连续纤维来复合铝合金基体可以制备出密度更低、强度更高的铝基复合材料。目前铝基复合材料的制备方法主要有搅拌铸造法、粉末冶金法和熔体浸渗法等，各种制备方法都有其优势和缺点。通过将多种增强相复合到铝合金基体中，可以通过发挥不同的增强机制，制得具有高性价比的铝基复合材料。

技术实现思路

[0008]为解决搅拌铸造法易混入气体和夹杂物的问题以及进一步提高铝基复合材料的极限强度，本专利技术提出一种氧化石墨烯和碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法，利用流化床技术有效的改善了短切纤维丝在铝合金粉体中的分散均匀性，多碳结构增强相可以进一步提高铝基复合材料的强度。
[0009]上述氧化石墨烯和碳纳米管增强铝基复合材料密度为1.8～2.5g/cm3，抗拉强度为500～600MPa，由体积分数占0.5～2.5％的氧化石墨烯，体积分数占0.5～2.5％的碳纳米管，体积分数占30～85％的铝合金粉体，体积分数占5～30％的短切纤维丝组成，其特征在于将氧化石墨烯、碳纳米管和铝合金粉体均匀混合制得混合粉体，再将短切纤维丝和上述混合粉体均匀混合后冷压，然后在模具中热压烧结后在得到坯料，机械加工后得到最终成品。
[0010]上述多氧化石墨烯和碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征如下：
[0011](1)将氧化石墨烯、碳纳米管、硬脂酸和铝合金粉体机械混合1h后，放入等离子球磨机进行球磨，转速为100～300rpm/min，等离子体电子温度3000
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5000K，球磨后得到氧化石墨烯、碳纳米管和铝合金粉体的混合粉；
[0012](2)将短切纤维丝和上述混合粉体置于流化床中，在气体的带动下使短切纤维丝均匀分散到混合粉体中得到混合粉；
[0013](3)将步骤(2)得到的混合粉在模具中冷压定型，压力为50～150MPa，然后150
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300MPa冷等静压，得到坯体；
[0014](4)将(3)制得的坯体无压烧结，烧结温度为600～750℃，真空或氩气气氛，烧结后得到最终产品；
[0015](5)把(2)得到的混合粉体注入模具，热压压力为300～400MPa，温度为500～600℃，热压后得到最终产品；
[0016](6)把(1)得到的粉体或者步骤(2)得到的粉体加入3D打印装置，通过3D打印出零件，喷砂处理即为最终产品。
[0017]本专利技术有益效果：本专利技术可避免现有搅拌铸造法易出现短切纤维丝偏析和结团等问题，有利于金属粉体与无机非金属粉体的合金化，极大提升了粉磨效率，避免了球磨导致氧化石墨烯和碳纳米管非晶化现象，有利于制备多层次复合片状结构的金属材料。
[0018]实施案例
[0019]实施例1：将体积分数为1％的氧化石墨烯、体积分数为1％的碳纳米管、体积分数85％的铝合金粉体机械混合1h后，放入等离子球磨机进行球磨，转速为150rpm/min，球磨后得到氧化石墨烯、碳纳米管和铝合金粉体得混合粉体；将短切氧化铝纤维丝和上述混合粉体置于流化床中，在气体的带动下使短切碳纤维丝均匀分散到混合粉体中得到混合物；将其在模具中60MPa冷压后定型，再进行200MPa冷等静压和常压600℃真空烧结，经机械加工后即得成品，经测试其抗拉强度为540
±
40MPa。
[0020]实施例2：将体积分数为2.5％的氧化石墨烯、体积分数为2.5％的碳纳米管、体积分数为70％的铝合金粉体机械混合，放入等离子球磨机进行球磨，转速为250rpm/min，球磨后得到氧化石墨烯、碳纳米管和铝合金粉体得混合粉体；将体积分数为25％的短切高硅氧纤维丝和上述混合粉体置于流化床中，在气体的带动下使短切纤维丝均匀分散到混合粉体中得到混合物，将该混合物注入到模具中，热压压力为300MPa，温度为500℃，经机械加工后即得成品，经测试其抗拉强度为580
±
20MPa。
[0021]上述仅为本专利技术的具体实施方式，但本专利技术的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本专利技术进行非实质性的改动，均应属于侵犯本专利技术保护的范围的行为。但凡是未脱离本专利技术技术方案的内容，依据本专利技术的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修
改、等同变化与改型，仍属于本专利技术技术方案的保护范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多结构碳相增强铝基复合材料，密度为1.8～2.5g/cm3，抗拉强度为500～600MPa，由体积分数占0.5～2.5％的氧化石墨烯，体积分数占0.5～2.5％的碳纳米管，体积分数占30～85％的铝合金粉体，体积分数占5～30％的短切纤维丝组成，其特征在于将氧化石墨烯、碳纳米管和铝合金粉体均匀混合制得混合粉体，再将短切纤维丝和上述混合粉体均匀混合后冷压，然后在模具中热压烧结后在得到坯料，机械加工后得到最终成品。2.一种多结构碳相增强铝基复合材料的制备方法，其特征如下：(1)将氧化石墨烯、碳纳米管、硬脂酸和铝合金粉体机械混合1h后，放入等离子球磨机进行球磨，转速为100～300rpm/min，等离子体电子温度3000
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈照峰，李远豪，
申请(专利权)人：南京凤源新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：