[发明专利]基于石墨烯模板化制备定向生长TiBw增强钛基复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种基于石墨烯模板化制备定向生长TiBw增强钛基复合材料的方法，属于钛基复合材料制备技术领域。采用磷酸和高锰酸钾的混合溶液、由SnCl₂、HCl和水配制的敏化液对GR依次进行酸化处理、敏化处理；将敏化处理的GR、含硼物质纳米粉和无水乙醇超声分散均匀后，再加入钛基金属粉混合均匀并干燥，得到含硼物质@GR/Ti基复合粉末；利用SPS技术对含硼物质@GR/Ti基复合粉末进行烧结处理后，再采用热压缩工艺、热挤压变形工艺或者热轧制工艺对烧结后的坯体进行热变形处理，得到定向生长且结构完整的TiBw增强钛基复合材料。本发明所述方法操作简单，普适性高，实用性强，而且所制备的定向生长TiBw增强钛基复合材料表现出优异的动态力学性能，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯模板化制备定向生长TiBw增强钛基复合材料的方法，属于钛基复合材料制备技术领域。

背景技术

钛基复合材料(Titanium Matrix Composite,TiMCs)具有比强度高、密度低、耐腐蚀以及耐高温等优点，被广泛应用于航空航天、船舶和兵器工业等领域。应用于冲击载荷环境下的TiMCs则需要具备较高的抵抗冲击破坏能力，即所谓的动态力学性能。自二十世纪七十年代以来，随着装甲与反装甲武器系统减重需求的日益增长，以及材料动态性能测试方法的完善，研究者开始关注具有优异动态性能的TiMCs的制备方法和相应的动态变形行为。

原位自生TiB晶须增强钛基复合材料(in-situed TiB whiskers reinforcedTiMCs，TiBw/TiMCs)是钛基复合材料研究领域的一个重要分支。同TiC、TiB₂、SiC等增强体相比，TiBw可同时满足以下条件：(1)强度、刚度和耐热性等物理及机械性能优异；(2)TiBw在基体中热力学稳定，与钛基体之间具有良好的相容性；(3)与钛基体的热膨胀系数相差较小，界面结合稳定；(4)TiBw在钛基体中原位反应合成，工艺简单且增强体表面无污染。因此，长久以来，TiBw被认为是钛基体材料的最佳增强相。尽管研究者围绕TiBw/TiMCs在反应体系设计、制备方法以及增强相的尺寸控制等方面开展了大量研究，但是所得TiBw/TiMCs的力学性能参差不齐，复合材料中TiBw的强化效率差别很大，很难获得强度-塑性能够良好匹配的高性能钛基复合材料。

对于非连续TiBw/TiMCs来说，除了常规的增强相分散问题外，大量研究表明，TiBw的强化效果与其在钛基体中的分布状态密切相关。王连生等人基于二维平面模型的有限元分析法研究TiBw定向排列和TiBw无序分散两种状态对所得TiBw/TiMCs力学性能的影响，结果表明：在TiBw体积分数和外加应力相同的条件下，增强体与加载方向的取向角θ越小，应变硬化效果越明显，强化效果越好。哈尔滨工业大学的刘瑞锋课题组采用数值模拟法计算了增强体定向排布的TiBw/TiMCs的热压缩变形行为，同样证实了材料的应变行为与TiBw的加载取向角密切相关。目前，针对TiBw/TiMCs中TiBw排布方式的调控手段非常有限，主要通过轧制或热挤压等大塑性变形法使TiBw趋向于基体变形方向，但是在变形过程中复合材料出现织构效应，并且TiBw发生断裂，长径比大幅下降，引起增强体荷载传递强化效应下降，从而降低复合材料的力学性能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于石墨烯模板化制备定向生长TiBw增强钛基复合材料的方法，该方法以石墨烯(GR)作为TiBw的形核基底，利用GR独特的“蜂巢”拓扑结构，TiBw晶核沿垂直于GR基面的方向生长，之后通过严格控制热加工变形条件，在防止破坏TiBw结构完整性以及不降低TiBw长径比的前提下，实现TiBw在基体中的定向排布，从而使所制备的钛基复合材料表现出优异的动态力学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

基于石墨烯模板化制备定向生长TiBw增强钛基复合材料的方法，所述方法步骤如下：

(1)GR的酸化-敏化处理