[发明专利]一种微波烧结制备石墨烯增强钛基复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种微波烧结制备石墨烯增强钛基复合材料的方法，属于金属基复合材料制备技术领域。该复合材料具有高的强韧性，是利用氧化石墨烯的自身特性增强，且通过对石墨烯镀铜改善石墨烯在钛合金基体中的湿润性，并通过静电组合加球磨的方法改善石墨烯在基体中的均匀分布,最后将混合好的粉体等静压后进行微波烧结，同时利用微波低温快速烧结来抑制和减少TiC相，最终得到高强韧性石墨烯增强钛基复合材料。本发明所述方法工艺简单，可重复性高，石墨烯在钛基体中分散度高，微波低温快速烧结加快块体致密化，并有效抑制和减少TiC相的生成，制备的钛基复合材料致密性高、强韧性好。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料制备技术领域，尤其涉及一种微波烧结制备石墨烯增强钛基复合材料的方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、抗腐蚀性能优异、尺寸稳定性高、高温力学性能良好以及生物相容性能好等特点而被作为结构材料广泛应用于汽车、航空航天和生物医学等领域。但钛合金存在硬度较低，耐磨性较差等缺点，钛基复合材料是指以钛、钛合金或钛的金属间化合物为基体，并且含有增强体的一种复合材料，钛基复合材料的发展为航空航天及汽车领域提供了新的方向。目前主要采用陶瓷颗粒(SiC、TiC、TiB)、碳纳米管、碳素纤维、SiC纤维等增强材料，通过粉末冶金的方法提高了纯钛及其合金的强度。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的二维纳米材料，呈单层片状结构(厚度仅为几个纳米)。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料(断裂强度达130 GPa)。其比表面积达2630 m²/g，抗拉强度和弹性模量分别可达125 GPa和1100 GPa。为了充分利用其优异性能，石墨烯常存在于各种基质（陶瓷，金属和聚合物）中。石墨烯作为Al、Cu、Mg和Ti等金属的增强体可以使大大提高复合材料的强度和韧性，并得到很好的匹配，从而成为增强钛基复合材料的有利候选材料。

但石墨烯增强钛基复合材料存在以下问题，一是石墨烯与钛基体的界面湿润性差，这是因为增强相和基体之间的结合是通过界面来实现的，界面将应力由基体传递到增强相。而石墨烯和碳纤维一样与大多数金属不润湿，同时石墨烯与钛基体的热膨胀系数相差很大，且两元素互不溶解，高温时复合材料中的两组分处于热力学平衡且两相动力学十分缓慢，使得石墨烯与钛基体的界面物理、化学相容性很差。因此石墨烯与钛基体很难形成牢固的结合界面，从而影响增强效果。二是石墨烯在钛基体上分布不均匀，石墨烯由于具有纳米级的尺寸，比表面积大，比表面能高，因而有很强的团聚趋向，在制备石墨烯增强金属基复合材料的过程中，关键的步骤就是将石墨烯均匀、弥散地分散在金属基体中，避免增强相在基体中团聚形成弱相，弱相容易引发孔隙、裂纹，尤其是当石墨烯在晶界处团聚时，使得晶界强度大幅度降低，从而大大降低复合材料的物理和力学性能。三是钛的活泼性较高，易与C发生反应生成过多TiC相，虽然TiC相与钛合金的相容性较好，但过多TiC相会影响石墨烯的强化效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种微波烧结制备石墨烯增强钛基复合材料的方法，包括以下步骤：

S1、对石墨烯进行无敏化和无活化镀铜；

S2、采用静电自组装结合超声辅助搅拌工艺将步骤S1中的镀铜石墨烯和钛合金粉体进行均匀配料；

S3、将步骤S2中配好的镀铜石墨烯和钛合金粉体混合液置于球磨罐中进行球磨；

S4、将步骤S3中球磨好的混合液干燥后得到的粉体压制成坯体；

S5、将步骤S4中压制好的坯体置于微波烧结炉中进行烧结，制备得到石墨烯增强钛基复合材料。

其中，对石墨烯进行镀铜之前先对石墨烯进行预处理，所述预处理是指先通过碱洗去除石墨烯表面的杂质，再通过酸洗对石墨烯进行粗化处理。