本發(fā)明涉及一種al4c3改性al基復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料一般可分為三類：聚合物基復(fù)合材料（pmcs）、金屬基復(fù)合材料（mmcs）、陶瓷基復(fù)合材料（cmcs）。金屬基復(fù)合材料基體主要是鋁、鎳、鎂、鈦等。鋁在制作復(fù)合材料上有許多特點，如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好，鋁基復(fù)合技術(shù)容易掌握，易于加工等。此外，鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度和比剛度高，高溫性能好，更耐疲勞和耐磨，阻尼性能好，熱膨脹系數(shù)低。同其他復(fù)合材料一樣，它能組合特定的力學(xué)和物理性能，以滿足產(chǎn)品的需要。因此，鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一。隨著汽車和航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是在太空空間，電離輻射等惡劣環(huán)境中對金屬基復(fù)合材料的比強(qiáng)度，比模量，耐蝕性，導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能要求更高，傳統(tǒng)的陶瓷纖維和顆粒增強(qiáng)體已經(jīng)不能滿足對材料性能的要求。

碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)異性能，這使得其可以作為一種理想的增強(qiáng)劑。碳納米管力學(xué)性能的理論和實驗研究表明，碳納米管的韌性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有極小的尺度及優(yōu)異的力學(xué)性能，是理想的一維納米增強(qiáng)、增韌材料。由于優(yōu)異的力學(xué)和物理性能，碳納米管被認(rèn)為是最具前景的鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)體之一。例如在公開號為cn103602843a、cn1546695a、cn1730688a、cn101613079a的發(fā)明專利中均介紹了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)，但是近些年研究發(fā)現(xiàn)，把碳納米管作為增強(qiáng)體加入到鋁基體中對鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)效果并不明顯。主要問題是由于碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在碳納米管的團(tuán)聚現(xiàn)象。

石墨烯是屬于眾多碳材料中的一員，相比于其他的碳材料，比如碳納米管，富勒烯，石墨等，有著優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能，這與其獨特的二維平面結(jié)構(gòu)有關(guān)。石墨烯是由sp2雜化碳原子以蜂六邊巢晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)成的二維單原子層結(jié)構(gòu)。每個碳原子與其周圍的三個碳原子成鍵，c-c鍵長是1.42a。在石墨烯以及石墨中，由于c-c鍵角都是120°，此時是不存在張力的，與c-c鍵角因小于120°而存在張力的富勒烯或者碳納米管相比，石墨烯中的c原子的反應(yīng)活性要低于富勒烯或是碳納米管中的c原子。

然而，與碳納米管相比，石墨烯的二維結(jié)構(gòu)使石墨烯相對更容易控制和分散在鋁基體中，因此充分發(fā)揮石墨烯的增強(qiáng)效果，制備出高性能的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已經(jīng)引起越來越多研究者的關(guān)注。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利cn105081310a公開了一種制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法：（1）制備氧化石墨烯；（2）鋁粉的表面改性；（3）制備氧化石墨烯-鋁復(fù)合粉末；（4）石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備；氧化石墨烯-鋁復(fù)合粉末加入到材質(zhì)為石墨的模具中，在氬氣保護(hù)、壓力為25mpa和溫度為600℃的條件下燒結(jié)1h-2h，自然冷卻至室溫，得到石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。中國專利cn105624446a公開了石墨烯增強(qiáng)鎂、鋁基復(fù)合材料及其制備方法：將石墨烯溶于適量乙醇溶液中超聲分散，隨即向溶液中間歇地加入金屬粉末，同時進(jìn)行超聲分散及機(jī)械攪拌，得到分散性良好的石墨烯/金屬顆?；旌先芤?；將混合溶液依次進(jìn)行低溫水浴加熱去溶劑、真空干燥成粉、惰性氣氛下持續(xù)手動研磨，得到均勻分散的石墨烯/金屬顆粒復(fù)合粉末；將復(fù)合粉末熱壓成塊及熱擠壓，最終獲得石墨烯/金屬基復(fù)合材料。檢索中還發(fā)現(xiàn)，中國專利cn104264000a公開了一種石墨烯改性的高導(dǎo)熱鋁基復(fù)合材料及其粉末冶金制備方法：(1)將增強(qiáng)體顆粒用強(qiáng)酸溶液浸泡，然后用去離子水清洗至中性、烘干，去除表面雜質(zhì)，得到活化處理的增強(qiáng)體顆粒；(2)將活化處理的增強(qiáng)體顆粒加入到石墨烯分散液中，通過機(jī)械攪拌或超聲分散，在其表面包覆石墨烯納米片，制備石墨烯改性的增強(qiáng)體顆粒；(3)將石墨烯改性的增強(qiáng)體顆粒與鋁基體粉末混合，通過壓坯和燒結(jié)，制備石墨烯改性的高導(dǎo)熱鋁基復(fù)合材料。

雖然現(xiàn)有技術(shù)所制備的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料綜合性能比較優(yōu)異，但石墨烯在鋁基之中未能均勻的分布，也不能夠使石墨烯和鋁基體之間達(dá)到更有效的界面結(jié)合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種al4c3改性al基復(fù)合材料，是一種化學(xué)穩(wěn)定性好、界面結(jié)合性能好的石墨烯包覆鋁粉末顆粒的高性能鋁基復(fù)合材料，便于其在電子行業(yè)的推廣應(yīng)用。本發(fā)明還提供了該復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明提供了一種al4c3改性al基復(fù)合材料，其由以下重量百分比的原料組成：

石墨烯：0.20-0.60%，al4c3：0.06-0.30%，al：99.1-99.74%。

所述al基材料中加入了al4c3，al4c3的加入，使得石墨烯與鋁粉的界面結(jié)合更加緊密，使所制備的復(fù)合材料具有更優(yōu)異的綜合性能，致密度達(dá)99.%以上，硬度值為33hv以上。

本發(fā)明提供了一種al4c3改性al基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備氧化石墨烯；

(2)然后將純鋁粉在溫度-200～-50℃冷凍2.0～5.0小時；

(3)將冷凍鋁粉和氧化石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)進(jìn)行球磨；在球磨過程中，逐量添加al4c3粉末；

(4)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行壓制成型，進(jìn)行保壓；

(5)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)。

上述方法中，所述制備氧化石墨烯的過程如下：首先將4.0g石墨、6.0gk2s2o8和6.0gp2o5分散于30ml濃硫酸中，油酸浴6小時后，將混合液冷卻至室溫，用2l去離子水稀釋，過夜，過濾，產(chǎn)物自然干燥；將預(yù)處理得到的石墨加入到300ml0℃的濃硫酸中，加入35gkmno4，冰浴，保持溫度低于20℃；溶解充分后，將混合液在35℃條件下反應(yīng)4小時，然后采用1l去離子水稀釋，再加入1l去離子水，將100ml的30%h2o2逐滴加入混合液中，過濾，所得產(chǎn)物采用2l的hcl溶液洗滌；過濾，用2l去離子水洗滌，真空烘箱干燥后得到氧化石墨烯。

上述方法中，步驟（3）球磨過程中，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為310～510rpm，球磨時間為0.2～3.0小時。球磨后，混合粉末的粒度為100-500目。

在上述球磨過程中，逐量添加al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)；

上述方法中，步驟（4）壓制成型過程中，壓力為660mpa～980mpa，在此壓制壓力下保壓0.4～60min后冷壓成型。

上述方法中，步驟（5）燒結(jié)過程中，將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500～650℃，燒結(jié)時間為0.8h～6h。

進(jìn)一步地，所述惰性氣體為ar氣。

所述石墨烯為碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體，石墨烯可采用常見的石墨粉體生產(chǎn)的方法如機(jī)械剝離法、氧化還原法、sic外延生長法。

本發(fā)明的原理：（1）將鋁粉在低溫冷凍且使用球磨法，使得石墨烯包覆鋁粉末的顆粒度更加細(xì)小，石墨烯的分散性更好；（2）al4c3的加入，使得石墨烯與鋁粉的界面結(jié)合更加緊密，因為石墨的氧化過程和用于使石墨烯從氧化石墨上剝離開來的熱振動技術(shù)會讓石墨烯基面有缺陷，缺陷會暴露出石墨烯的棱柱表面，這為石墨烯與鋁的反應(yīng)創(chuàng)造了條件；（3）球磨過程中氧化石墨烯會吸附到鋁片上面，在吸附過程中氧化石墨烯會通過電子交換局部還原。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用常壓成型與燒結(jié)相結(jié)合的方式，具有工藝簡單、設(shè)備投入低、能夠快速實現(xiàn)鋁基體燒結(jié)致密化；在發(fā)揮石墨烯自身優(yōu)異力學(xué)性能增強(qiáng)鋁基體的同時，還能夠利用基體的加工硬化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化共同作用增強(qiáng)鋁基體，使得復(fù)合材料的綜合性能大幅度提高，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，且可以在鋁合金電纜行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

具體實施方式

下面通過實施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。

實施例1：

(1)首先將純鋁粉冷凍在溫度-150℃保持2.0小時。(2)將鋁粉和石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)對上述混合冷凍鋁粉進(jìn)行球磨，球磨時間為0.22小時，石墨烯的添加量為0.2%，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為420rpm，使其粒度保持在300~400目。在上述球磨過程中，逐量添加0.08%的al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)。(3)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行成型，壓力在680mpa，且在此壓制壓力下保壓10min后冷壓成型。(4)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500℃，燒結(jié)時間為1.0h。經(jīng)測試，其致密度達(dá)99.2%，硬度值為33hv。

實施例2

(1)首先將純鋁粉冷凍在溫度-200℃保持1.0小時。(2)將鋁粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)對上述混合冷凍鋁粉進(jìn)行球磨，球磨時間為0.2小時，石墨烯的添加量為0.3%，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為310rpm，使其粒度保持在100-500目之間。(3)在鋁粉和一定量的石墨烯混合后進(jìn)行球磨的同時，逐量添加0.10%的al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)。(4)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行成型，壓力在730mpa之間，且在此壓制壓力下保壓20min后冷壓成型。(5)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為520℃，燒結(jié)時間為1.5h。經(jīng)測試，其致密度達(dá)99.6%，硬度值為34hv。

實施例3

(1)首先將純鋁粉冷凍在溫度-120℃保持2.5小時。(2)將鋁粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)對上述混合冷凍鋁粉進(jìn)行球磨，球磨時間為0.26小時，石墨烯的添加量為0.5%，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為450rpm，使其粒度保持在100-500目之間。(3)在鋁粉和一定量的石墨烯混合后進(jìn)行球磨的同時，逐量添加0.16%的al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)。(4)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行成型，壓力在750mpa之間，且在此壓制壓力下保壓30min后冷壓成型。(5)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為550℃，燒結(jié)時間為2.0h。經(jīng)測試，其致密度達(dá)99.9%，硬度值為38hv。

實施例4

(1)首先將純鋁粉冷凍在溫度-100℃保持3.0小時。(2)將鋁粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)對上述混合冷凍鋁粉進(jìn)行球磨，球磨時間為3.0小時，石墨烯的添加量為0.6%之間，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為510rpm，使其粒度保持在100-500目之間。(3)在鋁粉和一定量的石墨烯混合后進(jìn)行球磨的同時，逐量添加0.30%的al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)。(4)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行成型，壓力在900mpa之間，且在此壓制壓力下保壓40min后冷壓成型。(5)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為650℃，燒結(jié)時間為6.0h。經(jīng)測試，其致密度達(dá)99.7%，硬度值為36hv。