[发明专利]一种石墨烯复合铝基叠层梯度材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯复合铝基叠层梯度材料的制备方法，其针对碳材料作为增强体易在铝合金基体中发生团聚、制备过程复杂、易产生不良的界面反应以及梯度叠层材料在制备难度大、制备过程复杂等问题，采用石墨烯、氮化硅作为铝合金的增强体，经超声分散、球磨混粉、单层等离子烧结、叠层整体等离子烧结，制得复合材料，以提高铝合金基体的力学性能；此制备方法工艺先进，数据精确翔实，复合材料组织致密性好，无缩孔、缩松缺陷，晶粒尺寸明显细化，石墨烯和氮化硅在铝合金基体中分散均匀，界面结合良好，抗拉强度达335Mpa，延伸率达9.8%，硬度达95HV，是先进的铝基叠层复合材料制备方法。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯复合铝基叠层梯度材料的制备方法，属有色金属复合材料制备及应用的技术领域。

背景技术

铝合金具有密度小，比刚度和比强度高，阻尼性能和电磁屏蔽性能好，易切削加工和可二次回收等特点，在防护装甲材料领域具有广阔的应用前景，但其强度硬度不够高、弹性模量低等问题有待进一步解决，无法抵抗调整冲击。石墨烯作为新型碳材料具有高导电性、高导热性和高的力学性能，这些优异的性能使其作为金属基材料的增强体具有广阔的应用前景。

石墨烯具有稳定的二维几何结构，具有1Tpa的极高弹性模量和130Gpa的屈服强度，被认为是增强复合材料的一种很有前途的候选材料。但是，石墨烯增强铝基复合材料的性能并没有达到预期的效果，原因主要有以下几个方面：石墨烯与铝合金基体润湿性差，很难实现其在基体中均匀分散，极易造成石墨烯在基体中的团聚；以及制备工艺复杂繁琐；由于成型温度高，碳与金属基体极易发生不良的界面反应，产生脆性相，造成复合材料性能下降。

氮化硅是一种硬度极高的陶瓷材料。它还具有一些优异的性能，例如低密度，高弹性模量，良好的耐磨性和耐腐蚀性。由于其优异的综合性能，它被广泛应用于军工国防等领域。

功能梯度复合材料是在材料厚度方向通过改变其结构和组成使其成分和性能发生连续平稳的梯度变化，而在其内部没有明显界面。这种材料将热力学性能有显著差别的不同材料复合到一起，解决了在承受热冲击与高应变率载荷等苛刻环境下的异种材质的需求。功能梯度材料具有减小残余应力、缓和应力集中、提高粘结强度等多种优势，使得其在抗冲击装甲防护材料等方面发挥重要的作用。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的不足，采用石墨烯与氮化硅粉末作为纯铝基体的增强体，经超声分散、混合、SPS等离子梯度烧结得到功能梯度复合材料。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：石墨烯、纯铝粉末、氮化硅粉末、无水乙醇、氩气，各化学物质材料用量如下：以克、毫升、厘米³为计量单位

石墨烯：C固态粉体0.14g±0.01g

纯铝粉末：Al固态粉体50g±0.01g

氮化硅粉末：Si₃N₄固态粉末5g±0.01g

无水乙醇：C2H5OH液态液体 2000mL ±50mL

氩气：Ar气态气体2500000cm³±100 cm³

制备方法如下：

（1）混合粉末A的制备

首先在500ml无水乙醇中加入0.14g石墨烯，利用超声波设备制得石墨烯悬浊液；其中，超声条件设定为：超声功率为720W，超声时间为4h；然后向石墨烯悬浊液中加入45g纯铝粉末，机械搅拌混合，搅拌条件设定为：搅拌速度300r/min，搅拌时间为2h；搅拌后过滤、干燥，由此得到石墨烯质量分数为0.3%的混合粉末A；

（2）混合粉末B的制备