本發(fā)明屬于納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、生物相容性強等優(yōu)異特點，因此在航空航天、生物醫(yī)藥和石油化工等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展進步及鈦基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對鈦及鈦合金的綜合性能提出了更高的要求，期望其在具備自身優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上同時具備耐磨性高、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低和抗蠕變性優(yōu)良等特點，傳統(tǒng)的鈦合金材料已經(jīng)很難滿足這些應(yīng)用要求。纖維增強和顆粒增強是材料增強最常用的兩種方式，相比纖維增強，顆粒增強復(fù)合材料具有各項同性、易于加工成形等優(yōu)點，因此近年來顆粒增強鈦基復(fù)合材料開始成為研究熱點。

增強顆粒種類的選擇是提高鈦基復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，它要求所選顆粒必須具備優(yōu)異性能，同時要與基體材料有好的相容性。納米鉆石烯是一種新型碳納米材料，它具有尺寸小、強度高、硬度高、耐磨性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、耐腐蝕性強和生物相容性好等特點，同時經(jīng)過預(yù)處理能與鈦及鈦合金具有良好的相容性，是非常理想的鈦基復(fù)合材料增強體。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料，同時提供其制備方法是本發(fā)明的又一發(fā)明目的。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料，所述新型鈦基復(fù)合材料是在基體顆粒中添加納米鉆石烯獲得，所述基體顆粒為純鈦或鈦合金。

所述納米鉆石烯添加前須經(jīng)以下預(yù)處理：

a)超聲波堿洗：將納米鉆石烯置于堿液中超聲波堿洗，采用的超聲波頻率為25～30khz，堿液為濃度8%～12%的naoh溶液，堿液溫度為50℃～60℃，攪拌速度為25～30rpm，清洗時間為25～30min；

b)超聲波清洗：超聲波頻率均為30khz，清洗液為去離子水，攪拌速度為25～30rpm，攪拌時間為20～30min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c)酸洗活化：酸洗液為濃度為25%～30%的硫酸溶液，酸洗溫度控制在50～60℃，攪拌速度為15～20rpm，攪拌時間為20～30min，以達到將原料表面活化的目的；

d)超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率為30～40khz，水洗液為去離子水，將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為20～25rpm，攪拌時間為8～10min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e)真空鍍鈦：將清洗烘干后的納米鉆石烯顆粒與三氯化鈦和氫化鈦粉末混勻，在真空環(huán)境下加熱至700～800℃進行真空微蒸發(fā)鍍鈦處理1～2h即可。

所述基體顆粒與納米鉆石烯的用量為100:（0.1～5）。

所述基體顆粒的粒徑為0.1～100um；所述鈦合金為鈦鋁釩、鈦鉬或鈦鎳。

所述的含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1）分散：將預(yù)處理好的納米鉆石烯按50nm：100nm：250nm=(1～2)：(2～3)：(4～5)的粒度進行混合配比，然后取混合好的納米鉆石烯0.1～5份，加入到100～200份的無水乙醇中，攪拌并超聲分散30～60min，攪拌速度為1000～2000rpm，超聲波頻率為30～40khz，最后加入100份的基體顆粒，繼續(xù)分散60～120min；

2)球磨：將步驟1）所得的混合液按球液比為（2～4）:1加入到球磨機中球磨3～10h，球磨機轉(zhuǎn)速為300～400rpm，磨球材質(zhì)為tic，大小為5～10mm；

3)烘干：將步驟2）中的混合物在真空或保護氣體環(huán)境下烘干，烘干溫度為80～100℃，時間為2～5h；

4)壓制燒結(jié)：將步驟3)中的混合料在三維混料機中混合2～3h，裝入模具中壓制成形，然后在無氧條件下熱壓燒結(jié)即得。

步驟4）中，燒結(jié)采用兩段升溫升壓式：先將壓力升至20～30mpa，溫度升至700～900℃，保溫20～50min；再將壓力升至40～50mpa，溫度升至1100～1400℃，保溫5～20min，之后冷卻卸壓出模即可。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

1）納米鉆石烯的加入提高了鈦及其合金的強度、硬度、耐磨性和導(dǎo)熱性等性能；

2）納米鉆石烯經(jīng)過本發(fā)明的預(yù)處理后能與金屬基體有結(jié)合的更好；

3）本發(fā)明復(fù)合材料應(yīng)用范圍廣泛，尤其在醫(yī)療器械和航空航天等高新技術(shù)行業(yè)有很好的應(yīng)用價值；

4）本發(fā)明工藝過程簡單，易于掌控，適合于大批量工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是復(fù)合材料硬度隨納米鉆石烯含量的變化關(guān)系；

圖2是復(fù)合材料抗拉強度隨納米鉆石烯含量的變化關(guān)系；

圖3是復(fù)合材料耐磨性隨納米鉆石烯含量的變化關(guān)系；

圖4是復(fù)合材料導(dǎo)熱率隨納米鉆石烯含量的變化關(guān)系。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。

實施例1

一種含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料，所述新型鈦基復(fù)合材料是在基體顆粒中添加納米鉆石烯獲得，所述基體顆粒為純鈦。所述基體顆粒與納米鉆石烯的用量為100:1；所述基體顆粒的粒徑為0.1～20um。

所述納米鉆石烯添加前須經(jīng)以下預(yù)處理：

a)超聲波堿洗：將納米鉆石烯置于堿液中超聲波堿洗，采用的超聲波頻率為25khz，堿液為濃度8%的naoh溶液，堿液溫度為50℃～60℃，攪拌速度為25rpm，清洗時間為25min；

b)超聲波清洗：超聲波頻率均為30khz，清洗液為去離子水，攪拌速度為25rpm，攪拌時間為20min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c)酸洗活化：酸洗液為濃度為25%的硫酸溶液，酸洗溫度控制在50℃，攪拌速度為15rpm，攪拌時間為20～30min，以達到將原料表面活化的目的；

d)超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率為30khz，水洗液為去離子水。將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為20rpm，攪拌時間為8min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e)真空鍍鈦：將清洗烘干后的納米鉆石烯顆粒與三氯化鈦和氫化鈦粉末混勻，在真空環(huán)境下加熱至700℃進行真空微蒸發(fā)鍍鈦處理1h即可。

所述的含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1）分散：將預(yù)處理好的納米鉆石烯按50nm：100nm：250nm=1：2：4的粒度進行混合配比，然后取混合好的納米鉆石烯1份，加入到100份的無水乙醇中，攪拌并超聲分散30min，攪拌速度為1000rpm，超聲波頻率為30khz，最后加入100份的基體顆粒，繼續(xù)分散60min；

2)球磨：將步驟1）所得的混合液按球液比為2:1加入到球磨機中球磨3h，球磨機轉(zhuǎn)速為300rpm，磨球材質(zhì)為tic，大小為5～10mm；

3)烘干：將步驟2）中的混合物在真空或保護氣體環(huán)境下烘干，烘干溫度為80℃，時間為5h；

4)壓制燒結(jié)：將步驟3)中的混合料在三維混料機中混合2h，裝入模具中壓制成形，然后在無氧條件下熱壓燒結(jié)。

步驟4）中，燒結(jié)采用兩段升溫升壓式：先將壓力升至20mpa，溫度升至700℃，保溫20min；再將壓力升至40mpa。溫度升至1100℃，保溫5min，之后冷卻卸壓出模即可。

實施例2

一種含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料，所述新型鈦基復(fù)合材料是在基體顆粒中添加納米鉆石烯獲得，所述基體顆粒為鈦合金，所述鈦合金為鈦鋁釩。所述基體顆粒的粒徑為20～60um；

所述納米鉆石烯添加前須經(jīng)以下預(yù)處理：

a)超聲波堿洗：將納米鉆石烯置于堿液中超聲波堿洗，采用的超聲波頻率為30khz，堿液為濃度12%的naoh溶液，堿液溫度為60℃，攪拌速度為30rpm，清洗時間為30min；

b)超聲波清洗：超聲波頻率均為30khz，清洗液為去離子水，攪拌速度為30rpm，攪拌時間為30min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c)酸洗活化：酸洗液為濃度為30%的硫酸溶液，酸洗溫度控制在60℃，攪拌速度為20rpm，攪拌時間為30min，以達到將原料表面活化的目的；

d)超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率為40khz，水洗液為去離子水。將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25rpm，攪拌時間為10min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e)真空鍍鈦：將清洗烘干后的納米鉆石烯顆粒與三氯化鈦和氫化鈦粉末混勻，在真空環(huán)境下加熱至800℃進行真空微蒸發(fā)鍍鈦處理2h即可。

所述基體顆粒與納米鉆石烯的用量為100:5。

所述的含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1）分散：將預(yù)處理好的納米鉆石烯按50nm：100nm：250nm=2：3：5的粒度進行混合配比，然后取混合好的納米鉆石烯5份，加入到200份的無水乙醇中，攪拌并超聲分散60min，攪拌速度為2000rpm，超聲波頻率為40khz，最后加入100份的基體顆粒，繼續(xù)分散120min；

2)球磨：將步驟1）所得的混合液按球液比為4:1加入到球磨機中球磨10h，球磨機轉(zhuǎn)速為400rpm，磨球材質(zhì)為tic，大小為10mm；

3)烘干：將步驟2）中的混合物在真空或保護氣體環(huán)境下烘干，烘干溫度為100℃，時間為5h；

4)壓制燒結(jié)：將步驟3)中的混合料在三維混料機中混合3h，裝入模具中壓制成形，然后在無氧條件下熱壓燒結(jié)。

步驟4）中，燒結(jié)采用兩段升溫升壓式：先將壓力升至30mpa，溫度升至900℃，保溫20min；再將壓力升至50mpa。溫度升至1100℃，保溫20min，之后冷卻卸壓出模即可。

實施例3

一種含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料，所述新型鈦基復(fù)合材料是在基體顆粒中添加納米鉆石烯獲得，所述基體顆粒為鈦合金。所述基體顆粒與納米鉆石烯的用量為100:3。

所述基體顆粒的粒徑為80～100um；所述鈦合金為鈦鎳。

所述納米鉆石烯添加前須經(jīng)預(yù)處理，同實施例1。

所述含納米鉆石烯的新型鈦基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1）分散：將預(yù)處理好的納米鉆石烯按50nm：100nm：250nm=(1～2)：(2～3)：(4～5)的粒度進行混合配比，然后取混合好的納米鉆石烯0.1～5份，加入到100～200份的無水乙醇中，攪拌并超聲分散30～60min，攪拌速度為1000～2000rpm，超聲波頻率為30～40khz，最后加入100份的基體顆粒，繼續(xù)分散60～120min；

2)球磨：將步驟1）所得的混合液按球液比為（2～4）:1加入到球磨機中球磨3～10h，球磨機轉(zhuǎn)速為300～400rpm，磨球材質(zhì)為tic，大小為5～10mm；

3)烘干：將步驟2）中的混合物在真空或保護氣體環(huán)境下烘干，烘干溫度為80～100℃，時間為2～5h；

4)壓制燒結(jié)：將步驟3)中的混合料在三維混料機中混合2～3h，裝入模具中壓制成形，然后在無氧條件下熱壓燒結(jié)。

步驟4）中，燒結(jié)采用兩段升溫升壓式：先將壓力升至20～30mpa，溫度升至700～900℃，保溫20～50min；再將壓力升至40～50mpa。溫度升至1100～1400℃，保溫5～20min，之后冷卻卸壓出模即可。

性能檢測

1、硬度及拉伸強度測試

以100份純鈦粉為基料，加入0、1、3、5、7份的納米鉆石烯，制備不同納米鉆石烯含量的試樣，然后按gb/t4342-1992的要求進行顯微硬度測試，測試載荷為200g，加載時間為5s，每個試樣測量5次取平均值，結(jié)果如圖1所示；按gb/t7963-1987的要求制備拉伸試樣，按gb/t228.1-2010的要求進行拉伸試驗，應(yīng)變速率為0.001s-1，抗拉強度檢測結(jié)果如圖2所示。

從上圖1、2可以看出，納米鉆石烯的加入對純鈦的硬度及抗拉強度都有很大的提升作用，但含量過多會出現(xiàn)納米鉆石烯的團聚，影響材料性能，所以不宜過多。

2、耐磨性及導(dǎo)熱性測試

以100份鈦鋁釩(ti6al4v)粉為基料，加入0、1、3、5、7份的納米鉆石烯，制備不同納米鉆石烯含量的試樣。按gb/t12444-2006的要求在mm-200型環(huán)-塊式摩擦磨損試驗機上進行耐磨性試驗檢測，所用摩擦試樣尺寸為7*7*25mm，試樣對磨環(huán)為gcr15軸承鋼，直徑為50mm，硬度為60hrc，試驗載荷為30n，轉(zhuǎn)速為300rpm，時間為1h，以磨痕寬度衡量材料耐磨性，結(jié)果如圖3所示；采用dre-ⅲ型多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

從圖3、4可以看出，納米鉆石烯的加入提高了鈦合金的耐磨性和導(dǎo)熱率。