[发明专利]一种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法

说明书

本发明属于石墨烯增强铝基复合材料的母料制备领域，提供了种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法。该方法的主要步骤为：首先将石墨烯与硅酮进行捏炼至完全混合均匀，然后加入铝粉搅拌混炼，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料，最后进行固化和研磨，得到分散性良好和界面结合强度高的石墨烯母料。该母料与铝粉具有良好的分散性，工艺简单且能耗低，使得石墨烯与铝形成的高质量界面性，不但增强铝合金，而且在大幅降低铝合金制品的厚度的同时保证其高强度，是推动铝合金进一步轻质化改性的关键材料。

技术领域

本发明涉及石墨烯增强复合材料的母料制备领域，尤其是涉及一种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法。

背景技术

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。

对于铝基复合材料来说，增强相在铝基体中的分布是否均匀、增强相是否发生团聚、界面结合是否紧密，直接决定着复合材料性能的优劣。因为石墨烯较大的比表面积，其在铝基体中很容易发生团聚现象，而传统的球磨分散方法并不能保证将石墨烯均匀的分散在铝基体中，同时在球磨过程中会形成加工硬化减弱石墨烯的增强效果，常规粉末冶金工艺采用的机械球磨只是将增强相和基体相的粉末均匀地混合在一起，粉体间很难在球磨过程中就形成界面结合，而且通过熔化结合使得能耗增加因此，石墨烯在铝基体中的均匀分散如何实现，以及石墨烯/ 铝的高质量界面结合如何获得，是制备石墨烯/ 铝复合材料需要突破的关键技术。

发明内容