[发明专利]一种石墨烯增强铝基复合材料的粉末冶金制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯增强铝基复合材料的粉末冶金制备方法，该方法预先通过长时间的低能量球磨制备石墨烯‑铝复合粉末，退火后经过短时间高能量球磨、致密化加工及热处理，最终得到所述复合材料。通过长时间低能量球磨实现基体粉末与石墨烯均匀复合，同时能避免界面反应的发生，保护石墨烯结构完整；退火复合粉末在提升石墨烯质量的同时能提高复合粉末的塑性变形能力；短时间高能量球磨，使复合粉末焊合成颗粒且不损伤石墨烯质量；此外对于铝合金基体的复合材料，分散均匀的石墨烯促进基体中细小弥散析出相的析出，进一步提升复合材料力学性能。本发明有利于最大限度保护石墨烯结构完整并发挥石墨烯强化潜能，节能省时，适于批量制备生产。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体地，涉及一种石墨烯增强铝基复合材料的粉末冶金制备方法。

背景技术

铝及其合金因具有较低的密度，较高的比强度、比模量受到广泛关注，包括纯铝以及中等强度铝镁硅系、高强度铝铜系和超高强度铝锌镁铜系在内的铝合金广泛应用于航空、航天、交通、电子、建筑和体育用品等诸多领域，铝及其合金全球全年生产量和使用量仅次于钢铁材料。随着航空航天、国防军工等高技术领域的快速发展，单一材料很难满足复杂苛刻和多样化环境的使用要求，复合化成为材料发展的趋势，在金属基体中加入具有特定性能或优异综合性能的第二相形成金属基复合材料(Metal Matrix Composite,MMC)，以弥补金属基体的某些性能短板、实现综合性能的提升。以石墨烯、碳纳米管等纳米增强相为代表的新一代增强体成为近年来在复合材料领域的研究重点。相较于传统金属基复合材料中的陶瓷脆性增强相，纳米增强相(以石墨烯为例)具有更高的综合性能，表现为高弹性模量(1TPa)、高抗拉强度(130GPa)、高拉伸塑性(＞10％)等力学性能以及高导电率(200,000cm²V^-1s^-1)、高导热率(5000Wm^-1K^-1)等功能特性上，使得纳米增强相-金属基复合材料体系的增强、增模效率，缺陷容忍度，拉伸塑性，导电、导热等特性与传统金属基复合材料相比有了较大提升，代表着金属基复合材料的未来发展方向。

由于石墨烯层间存在巨大的范德华力，石墨烯在基体中的均匀分散一直是石墨烯增强铝基复合材料制备的一个主要障碍。分子水平混合(Molecular Level Mix)、原位合成(In Situ Synthesis)、料浆共混片状粉末冶金(Flake Powder Metallurgy)等方法，能够较好满足发挥石墨烯均匀分散的要求，但这些方法过程相对复杂，很难进行工业化生产；采用传统机械球磨法制备的石墨烯/铝基复合材料中，纳米相的分散性和结构完整性较较差，但适于未来的规模化、批量化生产，具有一定的工业化应用潜力。因此，如何在机械球磨法中开发新的石墨烯的均匀分散技术，保持其结构完整并与基体结合好，且制备的复合材料中无冶金缺陷，是目前石墨烯/铝基复合材料生产和应用技术中的关键问题。