一种石墨烯铝基复合材料制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯铝基复合材料制备方法，包括以下步骤：S1获取氧化石墨烯溶液，S2配置金属盐溶液与氧化石墨烯溶液搅拌混合，S3得到氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体，S4还原形成石墨烯金属复合粉体，S5与铝液搅拌混合形成石墨烯铝复合材料；本发明专利技术的优点：由于步骤S4中对S3得到的氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体通过高温氢气还原形成石墨烯金属复合粉体，因此，在石墨烯表面负载纳米颗粒，将石墨烯以复合粉体的形式加入熔融铝液中，通过电磁搅拌技术获得石墨烯铝基复合材料，能有效实现石墨烯的预分散，同时避免石墨烯直接加入熔体后团聚造成的微观缺陷，有效避免石墨烯与铝基体之间生成脆性相Al4C3，形成强界面结合。形成强界面结合。形成强界面结合。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯铝基复合材料制备方法


[0001]本专利技术涉及金属基复合材料
，具体涉及一种石墨烯铝基复合材料制备方法。

技术介绍

[0002]铝是一种具有优良导电性能的金属材料，且资源丰富，成本较低，广泛应用于电工行业。然而，包括纯铝、铝合金、铝基复合材料等在内的工业铝导线材料，普遍存在强度和导电性能不匹配的问题。纯铝材料电导率较高，但是强度较差。而铝合金和铝基复合材料由于添加合金元素或陶瓷颗粒，力学性能有所提高，但是自由电子受到更多的散射作用，导致材料电导率降低。因此研发具有优异综合性能的铝材成为了目前电工领域的迫切需求。
[0003]石墨烯作为新兴的纳米碳材料，以独特的微观结构和优异的性能特点引发了研究者的关注。它是一层碳原子构成的二维原子晶体。单层石墨烯的热导率高达电子迁移率为杨氏模量和拉伸强度分别高达1TPa和130GPa，是极具潜力的复合材料增强体。然而，与其他增强体材料相比，石墨烯具有超高的比表面积(2630m2g)，表面能高，自身容易发生团聚；石墨烯与金属铝之间难以发生润湿，在制备过程中倾向于发生再集聚。另外，在高温致密化的过程中，容易生成脆性相Al4C3。因此如何解决石墨烯在铝基体中的分散问题，并改善石墨烯与铝基体之间的界面，成为了制备石墨烯铝复合材料的关键。
[0004]近年来，有研究者通过对石墨烯表面负载金属粒子的方式，实现石墨烯与铝基体的界面结构设计和调控，同时配合粉末冶金或搅拌铸造技术，石墨烯团聚问题也有一定改善。Han等采用化学镀或者喷雾干燥的方式将其他金属纳米颗粒负载在石墨烯的表面上，负载颗粒主要以镍和铜为主。通过负载纳米金属颗粒，一方面，能够有效降低石墨烯的表面能，减少其自身的团聚倾向；另一方面，能够改善碳材料与铝基体之间的润湿性，从而提高界面结合强度。天津大学的何春年教授结合喷雾干燥和化学气相沉积的方法，在石墨烯上负载镍颗粒与铜颗粒，然后与铝粉球磨混合，经过粉末冶金和热挤压过程，得到具有两种界面结构的石墨烯铝复合材料[Han T,Liu E,Li J,Zhao N,He C.A bottom
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up strategy toward metal nano
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particles modified graphene nanoplates for fabricating aluminum matrix composites and interface study[J].Journal of Materials Science&Technology.2020；46:21
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32.]。对复合材料的界面进行深入分析发现，Ni
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GNPsAl界面处反应产生纳米级Al3Ni颗粒；对于Cu
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GNPsAl，铜原子在铝基体中发生了扩散，形成新的界面相。力学性能测试结果显示，石墨烯表面负载镍颗粒和铜颗粒的复合材料(Ni
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GNPsAl和Cu
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GNPsAl)的抗拉强度分别为163MPa和180MPa，与纯铝相比分别高出21％和33％。
[0005]管仁国等[管仁国，连超，赵占永.石墨烯铝基复合材料的制备及其性能[J],稀有金属材料与工程,2012(S2):607
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611]尝试将表面改性的石墨烯应用于铝基复合材料搅拌铸造制备技术中。具体是将氧化石墨烯与硫酸铜溶液进行混合，再加入水合肼溶液，以去除
氧化石墨烯表面官能团，并还原部分铜离子，得到表面负载铜及氧化铜的石墨烯粉体；采用机械搅拌铸造法，将石墨烯复合粉体与熔融铝液进行混合，制备得到石墨烯铝基复合材料。但是由于石墨烯表面负载颗粒以氧化铜为主，很难在与铝基体界面形成Al2Cu强化相。而且石墨烯未完全被铜氧化铜颗粒包覆，在基体中仍然偏聚严重。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有采用机械搅拌铸造法制备的石墨烯铝基复合材料存在石墨烯表面负载颗粒很难与铝基体界面形成强化相的技术问题，提出一种石墨烯铝基复合材料制备方法，通过向氧化石墨烯溶液依次加入金属盐溶液和氢氧化钠溶液，使石墨烯以复合粉体的形式加入熔融铝液中，有效实现石墨烯的预分散，避免石墨烯直接加入熔体后团聚造成的微观缺陷，为后续搅拌铸造打下提供基础。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯铝基复合材料制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1：获取氧化石墨烯溶液，并对氧化石墨烯溶液进行超声分散处理；
[0009]S2：配置金属盐溶液，并与S1超声分散处理后的氧化石墨烯溶液进行搅拌混合，搅拌混合的时间为30～40min；
[0010]S3：向S2混合后的溶液中加入氢氧化钠溶液，使金属氢氧化物在氧化石墨烯表面析出，得到氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体；
[0011]S4：将S3得到的氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体通过高温氢气还原形成石墨烯金属复合粉体，且还原时的温度为400～450℃；
[0012]S5：将铝合金预制块加热熔化至700～750℃，并通过电磁搅拌熔体，同时加入S4形成的石墨烯金属复合粉体形成石墨烯铝复合材料，电磁搅拌的频率15Hz，电磁搅拌的电压30V。
[0013]优选的，步骤S1中的氧化石墨烯溶液包括氧化石墨烯和去离子水，且每升去离子水中氧化石墨烯的质量为2～2.1g，氧化石墨烯溶液超声分散的时间不小于2h。
[0014]优选的，步骤S2中的金属盐溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为80：1～100：1。
[0015]优选的，所述金属盐溶液中的金属为铜或镍或银，且金属盐溶液的浓度为0.2～0.5mol/L。
[0016]优选的，步骤S3中当混合溶液的PH值不低于7时，将溶液中的沉淀物进行过滤、水洗直至滤液pH值达到中性后干燥得到氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体。
[0017]优选的，步骤S3中的氢氧化钠溶液的浓度为4～5mol/L。
[0018]优选的，步骤S3中的石墨烯金属复合粉体中石墨烯的体积分数为40～70％。
[0019]优选的，步骤S5中的铝合金预制块与石墨烯金属复合粉体的质量比50：1～100：1。
[0020]优选的，所述铝合金预制块为纯铝、铝
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硅、铝
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铜、铝
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镁和铝
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锌铸造铝合金中一种或几种。
[0021]综上所述，本专利技术的优点：通过步骤S1获取氧化石墨烯溶液，步骤S2配置金属盐溶液与氧化石墨烯溶液搅拌混合，步骤S3得到氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体,步骤S4还原形成石墨烯金属复合粉体,步骤S5与铝液搅拌混合形成石墨烯铝复合材料的制备方法制成的石墨烯铝基复合材料，由于步骤S4中对S3得到的氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体通
过高温氢气还原形成石墨烯金属复合粉体，因此，在石墨烯表面负载纳米颗粒，将石墨烯以复合粉体的形式加入熔融铝液中，通过电磁搅拌技术获得石墨烯铝基复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯铝基复合材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：获取氧化石墨烯溶液，并对氧化石墨烯溶液进行超声分散处理；S2：配置金属盐溶液，并与S1超声分散处理后的氧化石墨烯溶液进行搅拌混合，搅拌混合的时间为30～40min；S3：向S2混合后的溶液中加入氢氧化钠溶液，使金属氢氧化物在氧化石墨烯表面析出，得到氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体；S4：将S3得到的氧化石墨烯金属氢氧化物复合粉体通过高温氢气还原形成石墨烯金属复合粉体，且还原时的温度为400～450℃；S5：将铝合金预制块加热熔化至700～750℃，并通过电磁搅拌熔体，同时加入S4形成的石墨烯金属复合粉体形成石墨烯铝复合材料，电磁搅拌的频率15Hz，电磁搅拌的电压30V。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤S1中的氧化石墨烯溶液包括氧化石墨烯和去离子水，且每升去离子水中氧化石墨烯的质量为2～2.1g，氧化石墨烯溶液超声分散的时间不小于2h。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤S2中的金属盐溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为80：1～100：1。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：马恒，何卫，钱苗，刘彦强，
申请(专利权)人：国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司国网浙江省电力有限公司有研金属复材技术有限公司，
类型：发明
国别省市：