[发明专利]一种石墨烯改性铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯改性铝基复合材料及其制备方法。制备方法为：首先将铝基材料加热到熔化状态后，保持一段时间，然后慢速冷却至液相线温度；将熔炼合格的铝基合金以高于液相线温度15‑40℃的温度注入已经预热好的容器内，预热温度为500‑600℃；迅速搅拌半熔化状态的金属浆液，且在搅拌过程中连续不断地向浆液中添加石墨烯和Al₄C₃的混合粉末；最后将制备好的半熔化状态的含有石墨烯和Al₄C₃的金属浆液注入模具型腔内部，直接进行压制成型。通过本发明制备的半熔化状态的熔体质量好，石墨烯分散性较好，适用范围广，便于进行产业化推广。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯改性铝基复合材料及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

Al是地壳中储量最多的一种金属元素，Al及其合金具有以下的特点（1）工艺性能好：可加工，抛光后光洁度高，延展性好，可做成各种形状，可轧制成箔；（2）有优越的物理性能：主要体现在有良好的电导率、导热率且是非铁磁性，不易受电、磁干扰；（3）抗腐蚀性好；（4）力学性能方面其延展率高塑性好、韧性好，但是强度比较，纯铝的强度只有50MPa左右。纯铝所具备以上良好性能都是选择其作为基体的重要原因。铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。随着汽车和航空航天领域的发展，尤其是在太空空间，电离辐射等恶劣环境中对金属基复合材料的比强度，比模量，耐蚀性，导电导热等性能要求更高，传统的陶瓷纤维和颗粒增强体已经不能满足对材料性能的要求。

复合材料是一般由连续相（基体）和分散相（增强体）组成，具有低维化、复合化、高性能化以及特殊功能化的特点。值得特别注意的是，当其中一个组分的尺寸进入纳米级别，复合材料的性能可能会再某一方面显示出新奇的特性。例如纳米级金属/金属基复合材料的强度高于一般金属。这是由于复合材料中纳米级尺度的组分处于介观体系，表面原子的比例很大，表面层接近于气态。这些特性赋予该组分小尺寸效应、表面效应、量子效应、库伦堵塞与量子隧穿效应等许多奇特的性质，与其他组分之间的交互作用也会产生巨大的变化，从而赋予复合材料独特的性能。

石墨烯因为其优异的物理和机械性能被认为是非常理想的金属基复合材料增强体。但是，到目前为止关于石墨烯增强金属基复合材料的研究还处于起步阶段。石墨烯是属于众多碳材料中的一员，相比于其他的碳材料，比如碳纳米管/富勒烯/石墨等，有着优异的物理性能和力学性能，这与其独特的二维平面结构有关。石墨烯是由 sp2杂化碳原子以蜂六边巢晶格结构构成的二维单原子层结构。每个碳原子与其周围的三个碳原子成键，C-C键长是 1.42A。在石墨烯以及石墨中，由于C-C 键角都是120°，此时是不存在张力的，与 C-C 键角因小于 120°而存在张力的富勒烯或者碳纳米管相比，石墨烯中的 C 原子的反应活性要低于富勒烯或是碳纳米管中的 C 原子。石墨烯材料是地球上已知强度最高的材料，比钻石还硬，比钢铁的硬度还要高 100倍以上。石墨烯材料的抗压能力也极强，所以石墨烯材料是一种刚性和柔性共存的材料。

然而，与碳纳米管相比，石墨烯的二维结构使石墨烯相对更容易控制和分散在铝基体中，因此充分发挥石墨烯的增强效果，制备出高性能的石墨烯增强铝基复合材料已经引起越来越多研究者的关注。

发明内容

本发明旨在提供一种石墨烯改性铝基复合材料，是一种化学稳定性更好、界面结合性能好的高性能铝基复合材料，能在电子及其他行业推广应用。本发明还提供了该材料的制备方法。

本发明提供的一种石墨烯改性铝基复合材料，包括以下重量百分比的组分：

石墨烯：0.12-0.54%，

Al₄C₃：0.04-0.18%，

Al：99.28-99.84%。

进一步地，所述石墨烯和Al₄C₃的质量配比为：3:1。