[发明专利]一种石墨烯增强镍铝合金基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯增强镍铝合金基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。该方法以固态碳源作为石墨烯的前驱体，解决了石墨烯难以分散的问题；利用金属铝在镍基体中的固溶过程调节碳原子在镍基体中固溶与析出过程，进而控制石墨烯生长，制备具有可控层数的石墨烯，而且原位生长的石墨烯与镍铝合金基体的界面结合力好，对镍铝合金基体具有显著的增强增韧作用；另外，石墨烯的生长过程与镍铝基体的致密化烧结过程一步进行，制备过程简单，可控性好，适合规模化生产。

技术领域

本发明具体涉及一种原位制备层数可控的石墨烯增强镍铝合金基复合材料的方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

石墨烯是一种由sp ²杂化碳原子组成的二维层状结构的纳米材料。单层石墨烯杨氏模量和强度分别高达1TPa和130GP a，导热率约为5000W/m，载流子迁移率为15000cm²/Vs，比表面积达2600m²/g。由于高强度、高模量、超高比表面积和良好的自润滑性能，石墨烯作为一种新型碳纳米增强和润滑材料在金属基复合材料领域应用前景广阔。镍基复合材料具有良好的高温强度、抗热疲劳、抗氧化及耐腐蚀等优点，适合应用于航空、航天、舰船、核能和轨道交通等机械系统在苛刻条件和复杂工况下使役的关键高温结构部件。发展新型高强度-自润滑一体化高性能石墨烯增强镍基复合材料，具有重要的研究意义和实际应用价值。

目前，国内外在石墨烯增强金属(铜、铝、镍、钛和镁)基复合材料制备领域开展了大量研究工作，并取得了许多重要的研究成果。但是，石墨烯作为增强材料对金属基体的实际强化效果远未达到理论预期的水平。导致这一问题的原因主要有三点：第一，因为缺乏有效的制备手段，复合材料制备中大多采用10～30层石墨烯或氧化石墨烯作为增强相，其实际强度远小于单层石墨烯的本征强度；第二，由于石墨烯在金属基体中分散性差，通常在复合材料制备过程采用机械球磨和液相分散等方法达到均匀分散石墨烯的目的，然而，机械作用和化学过程会对石墨烯结构造成破坏或引入杂质，进一步降低了石墨烯的强度；第三，石墨烯和金属基体界面润湿性差、界面结合弱，以及高温下可能发生的界面反应会导致石墨烯不能有效发挥其强韧化作用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯增强镍铝合金基复合材料的制备方法，该方法以固态碳源作为石墨烯的前驱体，解决了石墨烯难以分散的问题；利用金属铝在镍基体中的固溶过程调节碳原子在镍基体中固溶与析出过程，进而控制石墨烯生长，制备具有可控层数的石墨烯，而且原位生长的石墨烯与镍铝合金基体的界面结合力好，并对镍铝合金基体具有显著的增强增韧作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种石墨烯增强镍铝合金基复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：

(1)先将有机碳源溶解在去离子水中，再加入金属镍粉，并进行加热搅拌直至水完全蒸发，再进行干燥，得到碳源包覆的镍粉；

(2)将碳源包覆的镍粉与铝粉均匀混合后，转移至模具中进行冷压成型，得到生坯；

(3)将生坯放入真空烧结炉中，当炉内压强低于0.1Pa时，充入氢气和氩气至炉内压强达到200Pa～2000Pa，再将真空烧结炉加热至950℃～1200℃，保温30min～2h后，立即将样品转移至真空烧结炉的低温区进行快速降温，得到原位生长的石墨烯增强镍铝合金基复合材料。

所述有机碳源包括蔗糖、葡萄糖、果糖或淀粉。

有机碳源的质量与金属镍粉的质量比为(1～4)：100。

在100℃～150℃下搅拌使水蒸发。

金属镍粉和铝粉中，铝粉的原子百分含量为1at.％～18at.％。

冷压成型的压强为150MPa～400MPa，保压时间10min～20min。