一种高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料的制备方法。采用乙基纤维素（EC）对石墨烯（GNPs）进行表面改性，在石墨烯表面附着一层乙基纤维素薄膜，乙基纤维素非极性头附着于石墨烯表面时形成空间位阻，溶剂中的极性尾抑制了石墨烯的聚集现象，后续采用超声分散处理与湿法球磨工艺相结合的方式，对石墨烯损伤程度小且实现了石墨烯在AlSi10Mg粉表面均匀分散，然后采用放电等离子体烧结制得高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料，较基体硬度高、磨损率低，具有更长的使用寿命，耐磨损性能得到明显提升，避免了传统方法带来的石墨烯易团聚、分散不均匀的问题，充分发挥石墨烯的自润滑作用。自润滑作用。自润滑作用。

【技术实现步骤摘要】
一种高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于铝基复合材料制备领域，具体涉及一种高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]AlSi10Mg合金是一种重要的铝合金，具有密度小、可塑性强、耐蚀性好、易成形等特点，被普遍作为汽车底盘、转向节、发动机气缸等重要零部件的主要生产材料。铝基复合材料具有强度高、重量轻、易于制造等优点，在航空航天、汽车、船舶和军工等领域得到了广泛的应用。但是在实际应用场景中，铝基复合材料的磨损破坏经常发生，优异的耐磨性成为制约铝基复合材料应用的关键。在过去的几十年里，研究人员通过加入各种陶瓷颗粒和碳质材料来提高铝基复合材料的耐磨性。石墨烯是一种很有前景的碳基增强材料，石墨烯具有独特的二维结构，其断裂强度高达130 GPA，弹性模量为1 TPA。石墨烯纳米片（GNPs）是有几层石墨烯组成，可作为金属基复合材料的增强和自润滑增强材料，近年来引起了人们对金属基复合材料发展的极大兴趣。尽管许多学者已经对石墨烯在铝基体中的分布进行了许多研究，但依旧存在两个关键难题：石墨烯与金属的界面结合和均匀分散问题。由于其高表面积，石墨烯在制备加工过程中容易团聚，要防止石墨烯的团聚并使其均匀分散，必须选择合适的分散方法。
[0003]为了克服以上挑战，人们已经开发了多种技术，如原位生长法、分子级混合工艺、静电吸附等，但它们大多工艺复杂且工业应用成本高。还有使用溶液混合来研究石墨烯的分散，包括超声分散、机械搅拌等。此外，通过表面活性剂吸附或化学氧化修饰石墨烯表面来获得均匀石墨烯分散体也是一条有效途径。相对于以上技术，球磨由于其操作简单、应用范围广，已成为制备石墨烯增强金属基复合材料的广泛选择的方法。本专利技术采用对石墨烯损伤小的表面修饰与球磨相结合的方式，可以有效抑制石墨烯的团聚，获得石墨烯分散均匀的复合粉末，有利于后续SPS烧结制备高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料，发挥石墨烯在基体中的自润滑作用，提升耐磨损性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是获得高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料。首先对石墨烯进行表面改性处理，改性后的石墨烯与AlSi10Mg粉再进行湿法球磨混合，获得石墨烯分散均匀的GNPs/AlSi10Mg复合粉末，并采用放电等离子体烧结制得高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料，该方法操作简单，工艺流程短，可推广性强。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）石墨烯的表面改性处理：将0.01~0.10g的石墨烯、0.01~0.20g的非离子表面活性剂乙基纤维素加入到乙醇溶剂中，超声辅助处理1~2h后，抽滤、洗涤、真空干燥；（2）改性石墨烯、AlSi10Mg粉的超声预分散：将步骤（1）表面改性处理后的0.01~
0.10g石墨烯和9.90~9.99g的AlSi10Mg粉分别加入到乙醇溶剂中，超声辅助处理1~2h，再将两者混合后超声辅助处理1~2h得到悬浮溶液；（3）湿法球磨混合：将步骤（2）得到的混合悬浮溶液加入至球磨罐中，此过程在手套箱Ar保护气体中完成，为了避免球磨过程中罐内温度过高，采用间歇式球磨法，正反转交替运行，每运行15
‑
20min暂停15min。球磨大小钢球的直径分别为5mm和3mm，球料质量比为10:1~20:1，球磨转速为300~400rpm，球磨时间为6~8h。
[0006]（4）表面活性剂的去除：将步骤（3）球磨结束后的悬浮液在手套箱中取出，抽滤、洗涤、真空干燥后置于管式炉中，在300℃~400℃下煅烧2~3h，去除复合粉末中的表面活性剂乙基纤维素，得到GNPs/AlSi10Mg复合粉末。
[0007]（5）高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料制备：将步骤（4）中制备的GNPs/AlSi10Mg复合粉末放入到石墨模具中，在10~20MPa压力下先预压5~10min，随后在放电等离子体烧结系统中进行烧结固化，烧结温度为500~550℃，升温速率80~100℃/min，烧结压力30~50MPa，烧结保温时间5~10min，随炉冷却，制得高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料。
[0008]进一步的，步骤（1）中表面活性剂与石墨烯的质量比为1:1~2:1。
[0009]进一步的，步骤（1）和步骤（2）中的超声分散功率为300~400W，温度25~35℃。
[0010]本专利技术的优点在于：（1）在不破坏石墨烯结构的情况下，包覆了表面活性剂的石墨烯可以有效避免团聚，增强石墨烯的分散性，改善石墨烯的润湿能力。本专利技术采用非离子表面活性剂乙基纤维素对石墨烯进行表面改性，石墨烯表面能高，在加工过程中由于它们之间的范德华力的吸引易于团聚，非离子表面活性剂乙基纤维素的分子式为分子式 [C6H7O2(OC2H5)x (OH)3‑
x]n，具有疏水基团和亲水基团，易吸附在石墨烯两侧，疏水端和亲水端分别附着在石墨烯表面和溶剂中，形成空间位阻，从而降低石墨烯的表面能，可一定程度上阻碍石墨烯的团聚。
[0011]（2）在球磨混合工艺中，选用较小直径的钢球以及乙醇溶剂作为介质可以减少对GNPs的损伤和破坏，同时采用较高的转速和较长的球磨时间来保证GNPs的分散。AlSi10Mg粉经过长时间、高转速的球磨后，被压扁成片状，纳米级石墨烯与片状AlSi10Mg的相容性好，石墨烯分散在片层状AlSi10Mg表面上，同样存在铝粉冷焊的现象，破碎的铝粉会出现堆叠情况，部分石墨烯会被包埋在AlSi10Mg的片层之间，可以与基体形成良好的结合状态，有利于后续制备界面结合性好的GNPs/AlSi10Mg复合材料，发挥石墨烯在基体中的自润滑作用，提升耐磨损性能。
[0012]（3）本专利技术制备GNPs/A复合粉末的方法操作简单，工艺流程短，设备要求低，成本较低，具有良好的可推广性。
附图说明
[0013]图1为本专利技术制备高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料的工艺流程图；图2为本专利技术制备GNPs/AlSi10Mg复合粉末的SEM表面形貌图和EDS面扫成分图；图3为烧结态GNPs/AlSi10Mg复合材料宏观图和截面金相组织图；图4为对比例和GNPs/AlSi10Mg复合材料的磨损痕迹表面轮廓图；图5为对比例和GNPs/AlSi10Mg复合材料的磨损率图；图6为对比例和GNPs/AlSi10Mg复合材料的磨损表面SEM形貌图。
具体实施方式
[0014]为了使本专利技术所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本专利技术所述的技术方案做进一步的说明，但是本专利技术不仅限于此。
[0015]一种高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）石墨烯的表面改性处理：将0.01g的石墨烯、0.01g的非离子表面活性剂乙基纤维素加入到100ml乙醇溶剂中，超声辅助处理2h后，抽滤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高耐磨自润滑GNPs/AlSi10Mg复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）石墨烯的表面改性处理：将石墨烯、非离子表面活性剂乙基纤维素加入到乙醇溶剂中，超声辅助处理1~2h后，抽滤、洗涤、真空干燥；（2）改性石墨烯、AlSi10Mg粉的超声预分散：将步骤（1）表面改性处理后的石墨烯和AlSi10Mg粉分别加入到乙醇溶剂中，超声辅助处理1~2h，再将两者混合后超声辅助处理1~2h得到悬浮溶液；（3）湿法球磨混合：将步骤（2）得到的悬浮溶液加入至球磨罐中，此过程在手套箱Ar气保护气氛中完成，为了避免球磨过程中罐内温度过高，采用间歇式球磨法，正反转交替运行，每运行15
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20min暂停15min；（4）表面活性剂的去除：将步骤（3）球磨结束后的悬浮溶液在手套箱中取出，抽滤、洗涤、真空干燥后置于管式炉中，在300℃~400℃下煅烧2~3h，去除复合粉末中的表面活性剂乙基纤维素，得到GNPs/AlSi10Mg复合粉末；（5）高耐磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊锋，陈舒健，池海涛，陈晓棠，陈玉龙，
申请(专利权)人：福建祥鑫轻合金制造有限公司，
类型：发明
国别省市：