[发明专利]一种石墨烯-硼异质结构钛基复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯‑硼异质结构钛基复合材料的制备方法，该方法将石墨烯包覆在大粒径钛基粉末的表面得到石墨烯包覆钛基粉末，将硼粉包覆在小粒径钛基粉末的表面得到硼包覆钛基粉末，然后将石墨烯包覆钛基粉末和硼包覆钛基粉末混合后烧结，得到石墨烯‑硼异质结构钛基复合材料。本发明利用石墨烯包覆钛基粉末与硼包覆钛基粉末烧结原位自生形成的TiB晶须挂钩在TiC及其周围未反应的残余石墨烯中，加固了钛基复合材料中钛基体之间界面结合，同时，TiB和TiC在晶界处起到弥散强化的效果，而TiB晶须与残余石墨烯起到载荷传递作用，TiB、石墨烯和TiC三者协同强化，改善了石墨烯‑硼异质结构钛基复合材料的力学性能。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯-硼异质结构钛基复合材料的制备方法。

背景技术

钛（Ti）及钛合金因其高比强度、高比模量、良好的抗氧化和耐腐蚀性能而被广泛应用于航空、海洋和化工等行业，已经服役于航天飞机、发动机叶片及汽车零件等。然而，钛及钛合金的耐磨性差，硬度低等缺陷限制了它的应用。因此在传统钛合金之外必须发展新材料。而钛基复合材料可以克服这些缺点，所以成为研究热点。而如何提高钛基复合材料的综合性能也是重中之重。增强相的形貌状态、大小和含量都对复合材料的性能有很大影响，基体材料的性能和界面的结合强度也对复合材料的综合性能有很大的影响。所以基体和增强相材料的选择就显得极为重要。对于金属基复合材料来说，金属基体韧性较强，所以通常要添加陶瓷相作为增强相，这样就可以将金属的韧性和陶瓷的髙强度、高硬度相结合，从而提高复合材料的整体性能。而目前以碳化物、硼化物或其它硬度高、熔点高的增强相成为金属基复合材料主要选择的材料。

最常被选择作为钛基复合材料增强相的是TiB和TiC。这两种材料的密度和热膨胀系数都同钛接近，而其自身的弹性模量和抗拉强度却要远高于钛，所以成为增强相材料的最佳选择。更为重要的是，TiC和钛的润湿性很好。石墨烯是一种碳原子以sp2杂化的形式存在的二维碳材料，具有十分优异的导电导热性及良好的力学性能。与传统材料相比，石墨烯具有更高的强度、伸长率和更大的比表面积，加之其与钛基体原位自生的TiC可以使制备的复合材料的强度和延性得到很好的匹配，是增强钛基复合材料的理想材料。

以往的研究常采用粉末冶金的方式制备钛基复合材料，对于钛基体的选择往往选择统一粒径的粉末作为原始材料。目前报道的研究主要采用球磨法将石墨烯及硼粉混合包覆或者将石墨烯与硼粉分步包覆的方法，研究石墨烯与硼元素在金属基复合材料中的混合增强效果，报道了二者协同效果。而对于异质结构的研究鲜有报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种石墨烯-硼异质结构钛基复合材料的制备方法。该方法分别将石墨烯和硼粉对应包覆在大粒径钛基粉末表面和小粒径钛基粉末表面后混合烧结，利用原位自生形成的具有钩网结构的TiB晶须挂钩在TiC及其周围未反应的残余石墨烯中，加固了钛基复合材料中钛基体之间界面结合，同时，TiB和TiC在晶界处起到弥散强化的效果，而TiB晶须与残余石墨烯起到载荷传递作用，TiB、石墨烯和TiC三者协同强化，改善了石墨烯-硼异质结构钛基复合材料的力学性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种石墨烯-硼异质结构钛基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法选取同种的大粒径钛基粉末和小粒径钛基粉末作为原料，将石墨烯包覆在大粒径钛基粉末的表面得到石墨烯包覆钛基粉末，将硼粉包覆在小粒径钛基粉末的表面得到硼包覆钛基粉末，然后将石墨烯包覆钛基粉末和硼包覆钛基粉末混合后形成石墨烯-硼异质结构钛基混合粉末，再进行烧结，得到石墨烯-硼异质结构钛基复合材料；所述大粒径钛基粉末和小粒径钛基粉末均为钛粉末或钛合金粉末，所述大粒径钛基粉末和小粒径钛基粉末的粒径比为（2~5）：1。