[发明专利]一种石墨烯增强的含长周期结构镁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增强的含长周期结构镁基复合材料及其制备方法，它是在含长周期结构镁合金基体中加入石墨烯制得，石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:3‑5，石墨烯和镁合金粉末作为整体与镁合金板材的质量比为1:6‑10；镁合金基体的组分及其质量百分比为：3wt.%~9wt.%Y、1wt.%~3wt.%Zn、0.2 wt.%~2Ca、0.2wt.%~1wt.%Zr、0.2wt.%~0.8wt.%Sb，余量为Mg，制备方法包括镁合金粉末和镁合金板材的制备，粉末烘干、挤压和热处理，本发明的制备方法能使石墨烯在含长周期结构镁合金基体中分散得比较均匀，并使石墨烯与镁合金基体间很好结合在一起，方法简单、成本低。

技术领域

本发明属于金属复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯增强的含长周期结构镁基复合材料及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高等优点，在汽车、航空航天等领域有着十分广泛的应用前景。近年来，航空航天及交通运输工具的速度越来越高，所需的动力功率越来越大，构件的稳定性要求高可靠，对镁合金的耐热强度以及抗弹性变形能力提出了更高的要求，而普通镁合金的弹性模量约为铝合金的60%，一般在40~45GPa之间，即使最新开发的高强耐热稀土镁合金Mg–Gd–Y–Zr，陈长江在硕士论文《发动机活塞用耐热稀土镁合金的开发研究》（上海，上海交通大学，2010）中研究表明，其室温弹性模量也仅为45GPa左右，其抗弹性变形能力较差，室温和300℃时抗拉强度分别为320MPa和250MPa，不能满足工程领域对轻质高强度高弹性模量镁合金材料的需求。因此，研发高性能镁基材料的需求已变得非常迫切。

由混合定律可知，多相合金的强度和弹性模量是由其组成相的强度和弹性模量及其体积分数决定的，引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相可以影响基体金属的强度和弹性模量。近年来的研究发现在某些Mg-RE-Zn合金中可以生成长周期结构相（LPSO结构），LPSO结构具有高硬度、高塑韧性、高弹性模量以及与镁基体良好的界面结合等一系列特性，该结构可在不危害合金塑性的同时显著提高合金室温和高温强度。张松在博士论文《LPSO 结构和稀土析出相复合强韧化Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的组织与性能研究》（上海交通大学，2011年）中研究表明，LPSO结构可大幅度改善合金的力学性能，300℃时抗拉强度仍能够保持在300MPa左右，且保持良好塑性。

同时，与镁合金相比，复合材料不仅保留了基体合金的高比强度和比刚度、优良的导电、导热性能及冷、热加工性能，还具有良好的弹性模量、耐磨性、耐高温性能、阻尼性能和电磁屏蔽性能等。石墨烯是一种由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格状的平面薄膜。其高导电性（电阻率仅约10^-8Ω·m）、高导热率（5000W/m·K）、高强度（断裂强度高达130Gpa）以及高比表面积等优异的性能使其成为复合材料的理想增强相。在镁合金中加入石墨烯可以显著提高其强度和弹性模量，并保持镁合金基体的高延展性，所得到的石墨烯增强镁基复合材料的热导率也显著提高。

但石墨烯镁基复合材料的工业制备存在有两大技术难题：一是石墨烯在镁合金基体中均匀分散的问题，二是石墨烯与镁合金基体界面结合问题。目前还没有较好的解决手段。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种石墨烯增强的含长周期结构的镁基复合材料及其制备方法，该制备方法通过控制Y和Zn比例生成长周期结构LPSO，且能够使石墨烯均匀分散在含LPSO结构镁合金基体中，还能使石墨烯与镁合金基体之间很好的结合在一起。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：