[发明专利]一种放电等离子(SPS)烧结制备石墨烯增强金属基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种放电等离子(SPS)烧结制备石墨烯增强金属基复合材料的方法，尤其涉及一种高石墨烯含量的致密金属基复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子堆积成蜂窝状晶格结构的二维平面碳质材料，片层厚度通常小于10个碳原子，具有优异的力学和导电导热特性，强度为125GPa，弹性模量为1100GPa，电子迁移率达到200000cm²/V·S，热导率达到5000w/m·K，同时具有密度低的特点。将石墨烯片层添加到金属基体中能降低材料的密度，而且预期能够获得高强度并保持良好的导电、导热能力，针对一些特定合金或纯金属，石墨烯的加入甚至会使材料具备某些特殊性能而成为功能材料，如具备吸波、减震和耐磨等性能。石墨烯增强金属基复合材料具有广阔的发展前景。

已有相关的研究和专利报道了石墨烯增强金属基复合材料的制备，目前采用的主要方法是铸造和热等静压(热压)烧结，但这两种方法缺陷比较明显：由于石墨烯与液态金属密度相差较大，铸造材料中石墨烯分布不均，易团聚，很难得到性能均一的材料；而热压烧结制备的前处理非常复杂，要对金属粉末进行表面改性，对金属粉末的形状也有要求，一般只适用于片状金属粉末，并且烧结的温度高，施加的压力大，烧结时间也很长通常要几个到几十个小时，因此能耗极大，得到的复合材料孔隙率也很高。由于石墨烯既不亲水也不亲油，反应活性不高，表面润湿性很差，与金属之间存在巨大的性质差异，很难与金属基体实现界面结合，因此石墨烯的添加量也受到限制，对金属材料性能的提升有限，而且传统的粉体混合方法采用的是液相混合法，工艺复杂，石墨烯的含量也无法准确控制。

发明内容

本发明的目的在于针对已有制备技术的不足，提供一种通过放电等离子(SPS)烧结制备高石墨烯含量的金属基复合材料的方法。本发明以金属粉末为基体，以二维的石墨烯片层粉末为增强材料，制备密实的石墨烯含量可任意、精确调控的金属基复合材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：

1.一种放电等离子(SPS)烧结制备的石墨烯增强金属基复合材料，石墨烯的质量分数可达10％以上，并可以任意、准确调控质量百分比。

2.所用石墨烯片层的厚度不大于4nm，片层直径不大于50μm。

3.所用金属粉末可以为球状粉末或其他任意形状的粉末，粉末粒径不大于200μm，所用原料可以为铝、镁、钛、铜、铁、镍等的纯金属，或其一种或多种合金。

4.采用SPS烧结制备1中所述石墨烯增强金属基复合材料的步骤为：

(1)由hummers法制备氧化石墨，经超声分散、清洗、过滤、干燥后，高速球磨，得到氧化石墨烯粉末，可采用水热法、化学还原法、高温气相还原或金属粉末还原法还原得到石墨烯粉末；也可气相沉积再球磨得到石墨烯粉末。

(2)采用旋转电极雾化法、机械破碎法或高速球磨法中的任意一种制备粒径小于200μm的金属粉末。

(3)按照所需的质量配比称取石墨烯粉末和金属粉末并进行混合，采用球磨或机械混合的方式进一步均匀化，转速为200-300r/min，混合时间30-60min。

(4)将混合好的石墨烯-金属复合粉末装入石墨模具中，进行SPS烧结成型，烧结参数：烧结压力为40Mpa，电流通断(on/off)比为4:1(32ms/8ms)，升温速率为50℃/min，到达最终烧结温度后保温1min，水冷降温。最终烧结温度根据金属的种类确定，应低于所用纯金属或合金的熔点150-300℃。

本发明的优点是：(1)可以制备高石墨烯含量的金属基复合材料，石墨烯的质量分数可达10％以上，并可以任意、精确调控。(2)制备工艺简单高效，对石墨烯的来源无特殊要求，也不需要进行前处理；对金属粉末的粒径和形状也无特殊要求，不需要进行表面改性处理。(3)可对金属粉末的粒径和石墨烯片层的尺寸进行调整，实现不同分散程度的复合材料的制备。(4)石墨烯与金属粉末是干燥状态下进行物理机械混合，不易产生液相分散的团聚现象，石墨烯粉末在金属中均匀分布且无特定取向，复合材料的性能均一各向同性。(5)SPS烧结时，金属粉末及石墨烯间的有效放电可产生局部高温使金属粉末局部熔化，也会使石墨烯表面产生活化，在高温等离子体溅射、放电冲击及电场加速作用下，使金属基体与石墨烯界面产生原子扩散连接，实现良好的界面结合。(6)SPS烧结的温度较低，低于金属熔点150-300℃，对金属与石墨烯的影响小，同时烧结时间短，整个烧结过程少于半小时，能耗低。(7)烧结方法适用的金属或合金种类多，基本可以适用于任何固态金属。