[发明专利]一种层状石墨烯/钛复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种层状石墨烯/钛复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。所述方法是将含有石墨烯的挥发性浆液均匀涂覆到片状纯钛或钛合金基体一个表面上，然后将涂覆石墨烯的基体一层一层叠加起来，使片状纯钛或钛合金与石墨烯涂层进行交替堆叠，再进行放电等离子烧结以及热处理，获得强塑性匹配优异的层状石墨烯/钛复合材料。本发明所述方法的工艺简单可行，能耗低，无污染，效率高，易于实现大规模生产；而且该方法能够使石墨烯本征结构保留完好，所制备的石墨烯/钛复合材料在层状方向还可以实现石墨烯连续分布，有利于进一步开发其结构功能一体化的潜力，获得强塑形匹配优异的层状石墨烯/钛复合材料。

技术领域

本发明涉及一种层状石墨烯/钛复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯因其优异的力学性能、高比表面积和二维片状结构特征，被认为是金属基复合材料中的高效纳米增强体。钛基复合材料由于其优异的比强度、比刚度、耐磨性能和抗蚀性，在航空、航天、汽车和生物医学等领域具有广泛的应用前景。近几年，国内外研究者已将石墨烯作为增强体用于制备石墨烯增强钛基复合材料，相比纯钛和钛合金基体获得了明显的强度提升。然而，大多数研究采用的制备工艺仍以粉末冶金为主，石墨烯团聚、石墨烯结构破坏和过度界面反应等问题一直制约着钛基复合材料性能的进一步提升。尤其是钛基复合材料塑性会随着石墨烯加入明显下降，导致钛基复合材料脆性断裂。

发明内容

针对石墨烯增强钛基复合材料普遍存在的石墨烯易团聚、过度界面反应、塑性较差和工艺复杂等问题，本发明提供一种层状石墨烯/钛复合材料的制备方法，先将石墨烯涂覆在片状钛或钛合金基体表面，然后将涂覆石墨烯的基体叠加后再采用低温高压放电等离子烧结获得高致密度块体，最后通过热处理调控界面反应程度，获得强塑性匹配优异的层状石墨烯/钛复合材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种层状石墨烯/钛复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将石墨烯粉均匀分散到具有挥发性的溶剂中，配制成石墨烯浆液；

(2)将石墨烯浆液均匀涂覆在片状纯钛或钛合金基体一个表面上，直至达到所需厚度，溶剂挥发后获得负载石墨烯的基体；

(3)将负载石墨烯的基体按需求裁剪成特定形状和特定尺寸的小片材，将小片材一层一层叠加起来，且一个小片材中的石墨烯表面与相邻的另一个小片材中的纯钛面或钛合金面相接触，形成层状坯体；

(4)将层状坯体直接进行放电等离子烧结(SPS)，然后置于700℃～900℃下热处理5min～40min，最后进行空冷或淬火，得到层状石墨烯/钛复合材料；

或者，先将层状坯体放入模具中预压成型，然后进行放电等离子烧结，再置于700℃～900℃下热处理5min～40min，最后进行空冷或淬火，得到层状石墨烯/钛复合材料；

其中，SPS的烧结温度为500℃～650℃，烧结压力为150MPa～300MPa，保温保压时间为5min～10min。

进一步地，步骤(1)中，将石墨烯粉加入具有挥发性的溶剂中，先使用超声分散机在100W～150W的超声功率下超声分散30min～60min，再使用细胞粉碎机在300W～600W的超声功率下超声分散20min～30min，使石墨烯粉均匀分散到具有挥发性的溶剂中，获得石墨烯浆液。

进一步地，步骤(1)中，石墨烯浆液中石墨烯粉的浓度为1mg/mL～3mg/mL。

进一步地，步骤(2)中，片状纯钛或钛合金基体的厚度为20μm～100μm。

进一步地，步骤(2)中可以采用如下喷涂设备将石墨烯浆液均匀涂覆在片状纯钛或钛合金基体表面上；