[发明专利]一种钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钛基复合材料及其制备方法，钛基复合材料制备方法为：1、将氧化石墨烯溶液用无水乙醇稀释，2、把碳纳米管粉末加入稀释氧化石墨烯溶液中超声分散；3、再将钛粉加入超声分散后,获得氧化石墨烯/碳纳米管与钛粉的混合溶液；4、在烘箱中完全干燥，获得氧化石墨烯/碳纳米管与钛粉的复合粉体；5、将复合粉体置入热压烧结炉的石墨模具中，在氩气保护环境中保温保压烧结。还提供了一种由上述制备方法制备的钛基复合材料。本发明利用氧化石墨烯/碳纳米管混合作为增强体，能有效改善增强体在基体中的团聚问题，提高增强体在基体中的分散性，从而最大限度地改善基体的力学性能。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯/碳纳米管增强钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛基复合材料由于具备比强度高、比模量高、高温性能好和耐腐蚀等一系列优点，在航天航空、汽车工业、医疗器械等领域中被广泛应用，是最具有发展前景的结构材料和功能材料之一。

选择质量轻、熔点高、强度高的增强体对提高钛基复合材料的性能至关重要。目前钛基复合材料中的增强体种类主要是以TiB、TiC、Al₂O₃、B₄C、TiN、ZrB₂等陶瓷颗粒增强体以及SiC等纤维增强体为主。增强相的体积分数一般在10-20%。然而，陶瓷颗粒本身硬度高，塑性差，往往会明显降低复合材料的韧性；同时由于材料的延展率较低，对钛基复合材料的进一步塑性加工也变得十分困难，加工成本显著提高。另外，纤维作为增强相虽然能够显著提升钛基复合材料的弹性模量等性能，但热膨胀系数失配、各向异性以及工艺成本等问题限制了它的工业应用。

近年来，新型纳米碳质材料包括碳纳米管和石墨烯由于密度低、优异的力学和物理性能引起了广泛的关注，被认为是钛基复合材料理想的增强体材料。然而由于碳纳米管和石墨烯比表面积大，且石墨烯片层之间和碳纳米管之间都存在较强的范德华力，易在复合材料中团聚，从而造成对材料性能的改善远远达不到理论预测的效果。根据文献“Rapidand low temperature spark plasma sintering synthesis of novel carbon nanotubereinforced titanium matrix composites” FC Wang, Carbon, 2015, 95, 396-407（快速低温放电等离子体烧结合成碳纳米管增强的钛基复合材料，FC Wang, Carbon, 第95卷，第396-407页, 2015年）记载：碳纳米管在钛基体中均匀分散的极限含量十分有限，添加量一般不超过0.5 wt.%。若需要大幅度提高基体性能，则要继续提高添加量，这又与团聚问题形成了矛盾。这种矛盾严重制约了复合材料性能的提升，成为纳米碳质材料增强金属基复合材料技术发展的关键瓶颈问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种钛基复合材料及其制备方法，它能克服现有单一石墨烯或碳纳米管增强体制备过程中易团聚造成材料性能改善不足的问题, 以替代单一石墨烯或碳纳米管作为钛基复合材料的增强体。

本发明的构思是：氧化石墨烯(GO)是化学方法制备石墨烯过程中产生的一种重要的石墨烯衍生物，其结构中含有大量的含氧官能团，导致氧化石墨烯在水和各种有机溶液中都具有良好的分散性。本发明借助氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团作用增加碳纳米管的分散性，用氧化石墨烯与碳纳米管混合分散体来替代单一石墨烯或碳纳米管作为钛基复合材料的增强体，解决碳纳米管团聚问题，同时利用氧化石墨烯与碳纳米管的协同作用，大幅提高复合材料的力学性能。

为了解决本发明的技术问题：

本发明首先提供一种制备钛基复合材料的方法，包括以下步骤：

步骤1、用改进的Hummers法制备氧化石墨烯溶液，并用无水乙醇稀释得到氧化石墨烯溶液；

步骤2、将稀释后的氧化石墨烯与碳纳米管粉末混合，利用超声搅拌器超声分散，得到氧化石墨烯/碳纳米管的混合溶液；