[发明专利]一种高性能铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种高性能铝基复合材料及制备方法，所述方法包括以下步骤：S1、将铝合金粉末、石墨粉和干冰放入球磨罐内，密封后以1000‑5000rpm的转速连续研磨反应1‑100小时，得到合金混料；S2、将上述合金混料注入磨具中，采用0.1‑1MPa的流体静压力压实成型，得到结构件前驱体；S3、对所述结构件前驱体采用激光烧结工艺进行烧结，得到所述铝基复合材料。该方法制得的铝基复合材料使石墨烯与铝形成的高质量界面性，增强铝合金机械强度，在大幅降低铝合金制品的厚度的同时仍然保持高强度，使铝合金进一步轻质化改性，而且该方法简单，过程中无需添加助剂，满足环境友好型生产需求。

技术领域

本发明涉及金属复合材料加工领域，尤其涉及一种高性能铝基复 合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种新型二维纳米材料，石墨烯纳米片是由sp²杂化碳原 子组成的单原子层厚度的二维材料，其展现出一系列不同寻常的物理 性能。2004年Novoselov等利用胶带剥离法制备出石墨烯纳米片样品， 并对其微观组织结构和物理学性能进行了表征。石墨烯纳米片因其特 殊的二维结构，引起了物理、化学和材料学界研究学者的极大兴趣， 有关石墨烯的基础研究和工程应用研究成为近几年的研究热点。

石墨烯强度高达1.01Tpa，是结构钢的100倍，而密度却是结构钢 的1/5。由于石墨烯密度小，提高金属材料强度的同时还能降低材料的 密度。同时石墨烯还具有超高的电子迁移率(200000cm2/V·S)、电导 率、热导率(5000W/m·K)、杨氏模量(1100GPa)等优异性能，因此将 石墨烯与铝、钛、镁等金属材料复合，预期可以得到轻质高强、兼备 导电、导热等功能特性的结构功能一体化的复合材料，是迄今为止实 验上发现的最坚韧、导电和导热最好的材料。为尽快使石墨烯达到工 程应用状态，欧盟在2012年启动石墨烯旗舰技术项目，美国也大力投 入，并且在石墨烯作为超强电容器等应用研究已取得了突破性进展。 湿化学还原法容易实现石墨烯纳米片的大批量制备，并且获得的石墨 烯具有较好的亲水性和单分散性，是理想的复合材料纳米填料。

由于石墨烯具有高的强度，其抗拉强度可达1060GPa，如何利用其 来提高复合材料的强度成为研究热点。目前已有关于石墨烯纳米片增 强高分子聚合物和陶瓷材料的报道。聚乙烯醇中填加0.7％质量分数的 石墨烯纳米片，其抗拉强度提高76％；Al₂O₃陶瓷基体中填加0.78％体积 分数的石墨烯纳米片时，其弯曲强度提高30.75％，同时断裂强度提高27.20％。

铝合金具有低的密度、高的强度和良好的延展性，在航空、航天 等领域得到广泛应用。作为结构材料，如何提高铝合金强度一直是其 研究者的主攻方向。目前来看，利用改变合金熔炼方式、调控成分、 调整热处理和变形工艺等方法在进一步提高铝合金性能难有突破，铝 基复合材料应运而生。铝基复合材料具有密度小，耐蚀性强，导电导 热性能优异，加工性能好等优点成为当前金属基复合材料研究的主流。 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的 要求，相比于陶瓷纤维增强体碳纤维和石墨颗粒增强体高的导热性， 低的热膨胀系数，优异的阻尼能力和非常好的自润滑性能引起了许多 研究者的关注。在铝合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳纳米管制 备铝基复合材料来提高合金强度成为学者们研究方向。但增强效果不 尽人意，且材料的塑性大幅降低。石墨烯纳米片具有高的强度，大的 比表面积和较好的延伸率，将其添加到铝合金中形成铝基复合材料， 是解决提高铝合金强度难题的不错选择。在最近几年因为石墨烯优异 的机械性能和物理性能被认为是最理想的金属基复合材料增强体，相 比于碳纳米管，石墨烯的二维结构使石墨烯更容易控制和分散在铝基 体中，为进一步提高铝基复合材料的性能提供了新的途径。