[发明专利]基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料，所述复合材料为包裹了石墨烯的钛合金粉末烧结而成，具有连续的网状分布结构；其中，所述钛合金粉末满足以下条件：具有大小两种尺度的粒径，且大粒径钛合金粉末的质量占比大于等于小粒径钛合金粉末的质量占比，不同粒径的钛合金粉末包裹的石墨烯层的厚度均相同，从而形成钛合金粒径与石墨烯层厚度的错配。本发明还提供了一种基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料的制备方法。本发明的复合材料可的组织以及分布形态可控，从而提高复合材料的性能，改善材料的组织形态。

技术领域

本发明涉及钛合金复合材料技术领域，具体而言涉及一种基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯理论上是兼顾高强度，低密度的新型先进二维材料，在改善钛合金组织和提高钛合金性能方面，石墨烯增强钛基复合材料具有很大的发展潜力。目前，现有方法制备石墨烯钛基复合材料时，由于石墨烯和钛的密度差异较大，混合后极易聚集，造成包裹钛合金粉末石墨烯会局部增厚，导致网状结构的复合材料石墨烯厚度过高，同时石墨烯与基体容易形成激烈的界面反应，烧结后的复合材料中则存在大量的石墨烯聚集，从而对复合材料的性能产生不良影响。

公开号为CN110835698A的中国专利提出了一种界面可控的石墨烯钛基复合材料制备方法，该方法采用碳化硅纳米颗粒对石墨烯表面进行包覆，减少石墨烯和钛基体的接触面积，阻碍高温下碳和钛的互扩散，有效减弱石墨烯和钛基体之间的界面反应，从而提高复合材料的性能。该方法虽然在一定程度上提高了复合材料的性能，但其仍然没有解决石墨烯钛基复合材料因材料组织存在空隙导致的韧性差，以及裂纹倾向问题，且材料的力学性能也有待进一步提高。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料，通过分别对不同粒径的钛合金粉末包裹相同厚度的石墨烯层进行改性，从而形成钛合金粒径与石墨烯层厚度的错配，再采用混合尺寸离子强化的方法制备复合材料，可实现对复合材料的组织调控以及分布形态，从而提高复合材料的性能，改善材料的组织形态。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料，所述复合材料为包裹了石墨烯的钛合金粉末烧结而成，具有连续的网状分布结构；其中，所述钛合金粉末满足以下条件：具有大小两种尺度的粒径，且大粒径钛合金粉末的质量占比大于等于小粒径钛合金粉末的质量占比，不同粒径的钛合金粉末包裹的石墨烯层的厚度均相同，从而形成钛合金粒径与石墨烯层厚度的错配。

优选地，钛合金粒径与石墨烯层厚度的错配满足以下公式：

其中，r为钛合金粉末表面包裹的石墨烯层的厚度，R为钛合金粉末的中值粒径，V_Gr为添加的石墨烯的体积数，V_Ti为钛合金粉末的体积数。

优选地，钛合金粉末的中值粒径满足：10μm≤中值粒径≤200μm。

优选地，所述石墨烯的表面沉积有镍磷层，所述镍磷层的厚度大于0.2μm。

一种基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

将石墨烯分别包裹在不同粒径的钛合金粉末上得到表面修饰后的钛合金粉末，通过控制质量的方法使不同粒径的钛合金表面的石墨烯层厚度均相同，从而形成钛合金粒径与石墨烯层厚度的错配；

将两种不同粒径的表面修饰后的钛合金粉末按比例混合均匀，并对混合粉末真空干燥，之后再进行烧结得到多尺度复合材料。