[发明专利]一种石墨烯/铝复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，本发明通过预冷压后再热压烧结的过程，能将石墨烯与铝基体良好地结合，石墨烯/铝复合材料有良好的致密度；本发明的冷却过程，采用连续水冷的方式，提高模具内外的冷却速率，避免了复合材料降温过程中由于膨胀系数差异较大而产生的缺陷；本发明所制备的石墨烯/铝复合材料可运用于汽车制造、航空航天等领域。本发明弥补了传统制备工艺上石墨烯分布不均、球磨过程铝粉之间的钎焊现象等缺陷。

技术领域

本发明属于粉末冶金和纳米复合材料领域，具体涉及石墨烯铝基复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由sp2杂化的碳原子组成的单原子层的新型纳米材料，具有强度高、结构稳定、低密度、导热性强等特点。石墨烯这种优良特性，为改良包括铝合金再累的多种传统材料的力学性能、导热导电性能提供了新的解决途径。

作为一种普遍的结构材料，铝合金在家用门窗、汽车制造、航空航天等领域有广泛的应用，而如何提高铝合金的强度一直是科研人员研究的主要内容之一。如今，通过改变合金元素成分、调控方式或改变热处理工艺来提高其强度的技术已日益成熟；而在铝基体内添加如碳化硅、氮化硼等强化相颗粒虽然可以提高材料的强度，但在材料塑性方面却大幅度降低。近年来，研究人员通过采用有高强度和高比表面积的石墨烯纳米材料，掺杂到铝合金材料形成石墨烯/铝基复合材料的方法，既有效的提高了铝合金的强度，又解决了塑性降低的困恼。

目前，我国关于石墨烯/铝基复合材料的研究还处于起步阶段，其主要难度有以下两点：其一是如何让石墨烯均匀的分散在铝基体内部。目前主要的制备方式有搅拌摩擦加工和粉末冶金+挤压法。对于前者，虽然实现了石墨烯在基体内的良好分布性，但仅限于搅头所经过的区域，这种技术对原料的浪费较大。粉末冶金+挤压法是目前绝大多数研究人员采用的方法，其主要步骤是先将石墨烯与铝基体粉末混合均匀，再通过挤压成型、高温烧结的方式制成复合材料。在混合粉末方面，目前通常采用的方式是真空球磨，但是其缺点在于：对于颗粒较小的铝基粉末，在抽真空的过程中，铝粉由于比重轻极易堵塞真空系统；而对于颗粒较大的铝基粉末，在球磨机高速运转的过程中，铝粉之间极易钎焊现象。有文献指出将石墨烯和铝粉混于乙醇溶液中球磨的方法，但在实际操作中，球磨管内的温度难以控制，乙醇在球磨的过程中受热产生的乙醇蒸汽会使球墨罐内部压强增加而产生爆炸的危险。其二，在挤压成型和烧结的过程中，由于铝和石墨烯的热膨胀系数差异较大(室温下铝合金热膨胀系数为23.21x10-6K-1，石墨烯热膨胀系数为-6x10-6K-1)，采用常规的挤压成型再通过高温烧结的方式很难提高复合材料的致密性，质量较差，力学性能提高不明显，而采用热等静压的烧结方式虽然可以有效的提高复合材料的致密性，但成本昂贵。

发明内容

鉴于以上所述现有制备石墨烯铝基复合材料的方法的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，使得石墨烯在铝基体内能均匀分布。

本发明提供的一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将石墨烯分散在无水乙醇中，形成石墨烯分散液，并进行超声波震荡；

S2：在搅拌条件下，将铝基粉末加入到所述石墨烯分散液中，并缓慢加入无水丙酮至铝基粉末完全分散，形成混合液；

S3：对所述混合液进行过滤，将滤渣进行干燥，得到混合粉末；

S4：将所述混合粉末填入模具内，压实；

S5：将所述模具放入热压机中，在预设的烧结温度、升温速率和保压时间下，进行烧结，得到所述石墨烯/铝复合材料。

可选的，所述铝基粉末的粒径为5～20μm，所述铝基粉末的外形为球形。

可选的，所述模具为由高温镍基合金或者模具钢等材料制成的金属热压模具，所述模具在预设的温度和载荷下的强度应大于所述铝基粉末的强度。