本發(fā)明屬于新材料，具體涉及一種鋁基石墨烯復(fù)合材料制備方法，還涉及一種鋁基石墨烯復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

1、隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，對(duì)鋁合金性能的要求逐漸升高，尤其是在結(jié)構(gòu)功能一體化材料領(lǐng)域，材料不僅需要滿足強(qiáng)度要求，還需滿足功能要求。然而，對(duì)于鋁合金而言，強(qiáng)度和導(dǎo)電性往往是一對(duì)矛盾體，提高強(qiáng)度會(huì)削弱導(dǎo)電性，提高導(dǎo)電性又會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。復(fù)合材料是解決這一矛盾的最優(yōu)途徑。近年來(lái)，鋁-石墨烯復(fù)合材料制備已成為國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的特點(diǎn)。因此，批量化制備高性能、低成本的鋁-石墨烯復(fù)合材料對(duì)開(kāi)發(fā)新一代高強(qiáng)高導(dǎo)鋁合金具有十分重要的科學(xué)意義。

2、中國(guó)發(fā)明專利cn114260068a公開(kāi)了一種高導(dǎo)熱鋁基石墨烯復(fù)合材料的制備方法：將鋁片豎直浸入ph為8～8.5的多巴胺水溶液中，靜置反應(yīng)20～80min；將鋁片從多巴胺水溶液中取出后，用純度不小于蒸餾水的水清洗，再將清洗后的鋁片豎直浸入氧化石墨烯水溶液中，靜置反應(yīng)2～6h；將鋁片從氧化石墨烯水溶液中取出后,用純度不小于蒸餾水的水清洗，再將清洗后的鋁片放入100～300℃下進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間為0.5～3h，得到所述高導(dǎo)熱鋁基石墨烯復(fù)合材料。該發(fā)明所述方法過(guò)程簡(jiǎn)單、儀器設(shè)備操作簡(jiǎn)便；所制備的鋁基石墨烯復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

3、中國(guó)發(fā)明專利cn104862508a公開(kāi)了一種鋁基石墨烯復(fù)合材料的制備方法:將石墨烯與酒精溶液混合，超聲波振蕩后添加鋁合金粉末并進(jìn)行機(jī)械球磨，將球磨結(jié)束后將混合溶液烘干，得到石墨烯/鋁合金復(fù)合粉末，熱等靜壓處理得到密實(shí)的石墨烯/鋁合金復(fù)合材料預(yù)制錠。在坩堝中熔融相同牌號(hào)的的鋁合金，溫度為該種鋁合金熔點(diǎn)之上30～80℃，并重熔預(yù)制錠到鋁合金熔體中，進(jìn)行攪拌后迅速澆鑄到石墨模具中，得到鋁基石墨烯復(fù)合材料鑄錠。鋁基石墨烯復(fù)合材料鑄錠進(jìn)行均勻化處理，工藝制度為495℃±5℃、保溫24h,并通過(guò)熱擠壓或軋制成型，制備出鋁基石墨烯復(fù)合材料棒材或板材。該專利先制備石墨烯/鋁合金復(fù)合材料預(yù)制錠；然后把預(yù)制錠加入到鋁合金熔體中重熔并利用鑄造法工藝得到鋁基石墨烯復(fù)合材料鑄錠，最后對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，再利用熱擠壓或軋制等成型工藝得到高強(qiáng)度的鋁基石墨烯復(fù)合材料棒料或板材。該發(fā)明方法很好地解決了石墨烯與鋁合金的復(fù)合及均勻化問(wèn)題，并能精確調(diào)節(jié)復(fù)合材料中石墨烯的摻入量，制備方法簡(jiǎn)單、高效，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

4、中國(guó)發(fā)明專利cn104846230a公開(kāi)了一種鋁基石墨烯復(fù)合材料的制備方法,具體包括如下步驟：1)將石墨烯分散至有機(jī)溶劑中形成石墨烯分散液,有機(jī)溶劑為與鋁不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)溶劑；2)將連通孔泡沫鋁酸化處理去除表面的氧化層后烘干；3)將經(jīng)步驟2)所處理的連通孔泡沫鋁置于石墨烯分散液中浸泡,然后取出,烘干后獲得石墨烯/泡沫鋁復(fù)合體；4)將石墨烯/泡沫鋁復(fù)合體預(yù)熱,然后經(jīng)軋制成型最終獲得一種鋁基石墨烯復(fù)合材料,其中,步驟1)和步驟2)不分先后順序,石墨烯與連通孔泡沫鋁的質(zhì)量為0.1wt％—10wt％；該工藝避免了傳統(tǒng)粉末冶金工藝高能球磨對(duì)石墨烯的破壞,以泡沫鋁為骨架可以實(shí)現(xiàn)其有效分散,且工藝簡(jiǎn)單,具有顯著的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

5、中國(guó)發(fā)明專利cn117086308a公開(kāi)了一種空心立方體結(jié)構(gòu)的鋁基石墨烯復(fù)合材料和slm用鈦合金-石墨烯復(fù)合材料。將制備得到的鋁基鍍al的石墨烯納米片以nacl或kcl為模板制備得到空心立方體結(jié)構(gòu)的鋁基氧化石墨烯復(fù)合材料,再與鈦合金球磨復(fù)合,制備得到slm用鈦合金-石墨烯復(fù)合材料。該發(fā)明的制備方法有效提高了石墨烯在鈦合金中的分散性,增強(qiáng)了石墨烯納米片與鈦合金基體界面結(jié)合強(qiáng)度,更好的利用石墨烯納米片的橫向性能,同時(shí)避免了石墨烯納米片在與鈦合金金屬基體復(fù)合過(guò)程中分解形成有害相的問(wèn)題，空心立方體結(jié)構(gòu)的每個(gè)面由鋁基鍍al的石墨烯納米片構(gòu)成。

6、目前，基本上采用高能球磨、顆粒表面改性、液相混粉等工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)石墨烯的均勻分散。這些常規(guī)工藝方法生產(chǎn)效率低下，且不能有效地解決石墨烯易團(tuán)聚和導(dǎo)電性能差的問(wèn)題，限制了鋁-石墨烯復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化。

7、基于此，有必要提供一種鋁基石墨烯復(fù)合材料制備方法，本發(fā)明在結(jié)合了粉末冶金和鑄造工藝的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種全新的石墨烯-鋁復(fù)合工藝，成功制備了具有高強(qiáng)度高導(dǎo)電性能的鋁基石墨烯復(fù)合材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種鋁基石墨烯復(fù)合材料制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)鋁基石墨烯復(fù)合材料石墨烯易團(tuán)聚、導(dǎo)電性能較弱的不足。

2、本發(fā)明還提供了一種鋁基石墨烯復(fù)合材料。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

4、一種鋁基石墨烯復(fù)合材料制備方法，包括以下步驟：

5、s1、將石墨烯和鋁的復(fù)合粉體用磨具進(jìn)行冷壓成型，得到鋁-石墨烯預(yù)制體；

6、s2、將純鋅進(jìn)行熔煉，得到鋅熔體，冷卻至半固態(tài)，將鋁-石墨烯預(yù)制體在純鋅熔體中進(jìn)行浸蘸，使鋅熔體均勻包覆鋁-石墨烯預(yù)制體，得到鋁-石墨烯-鋅中間體；

7、s3、將所述鋁-石墨烯-鋅中間體置于鑄模中進(jìn)行預(yù)熱，澆注鋁合金熔體，進(jìn)行保壓處理，成型得到鋁基石墨烯復(fù)合材料。

8、本發(fā)明鋁基石墨烯復(fù)合材料制備方法，在不破壞石墨烯空間結(jié)構(gòu)的前提下打開(kāi)堆疊的石墨烯片層，實(shí)現(xiàn)石墨烯-鋁的高質(zhì)量復(fù)合。由于鋁和石墨烯之間表面張力不匹配、潤(rùn)濕性差，導(dǎo)致界面結(jié)合較弱，復(fù)合材料整體性能較差。本發(fā)明預(yù)先在鋁-石墨烯預(yù)制體表面均勻附著鋅層，利用低熔點(diǎn)的鋅液侵入石墨烯-鋁界面空隙，解決了鋁和碳之間潤(rùn)濕性差的難題，加強(qiáng)了石墨烯和鋁的界面結(jié)合強(qiáng)度。為使鋅層均勻包覆鋁-石墨烯預(yù)制體，先將鋅進(jìn)行熔煉處理，待鋅熔體冷卻至半固態(tài)以后，再進(jìn)行多次浸蘸。在進(jìn)行鋁合金壓鑄時(shí)，表面的低熔點(diǎn)鋅層率先接觸高溫熔體并熔化，鋅液在壓力作用下滲入薄片預(yù)制體并逐漸侵入界面空隙。通過(guò)采用鋅層作為中間過(guò)渡，避免界面反應(yīng)生成al4c3雜質(zhì)相，鋅向鋁基體中的擴(kuò)散還可以加強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度。此外，燒結(jié)的復(fù)合材料內(nèi)部存在孔隙，流動(dòng)的鋅液和鋁合金熔體可以填充空隙，提高復(fù)合材料的致密度和整體性能。

9、本發(fā)明中，s1中石墨烯和鋁的復(fù)合粉體中石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2～1wt％。

10、本發(fā)明中，所述石墨烯和鋁的復(fù)合粉體通過(guò)分批次球磨混粉工藝制得。

11、進(jìn)一步地，所述分批次球磨混粉工藝具體過(guò)程如下：將鋁粉和石墨烯混合，制成混合粉末；將混合粉末與鋁粉分別置于剛玉球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，然后將經(jīng)球磨后的兩種粉末混合繼續(xù)球磨，得到石墨烯和鋁的復(fù)合粉體。本發(fā)明采用分批次球磨混粉工藝，將細(xì)化后的鋁粉與復(fù)合粉體混合后進(jìn)一步球磨，使石墨烯在鋁粉中達(dá)到最佳的分散效果。鋁粉經(jīng)過(guò)球磨細(xì)化后表面帶有正電荷，復(fù)合粉體表面附著的石墨烯帶有負(fù)電荷。異種電荷之間的靜電吸引引發(fā)石墨烯片層剝離，改善了石墨烯在鋁粉中的分散效果。正負(fù)粒子之間的靜電吸附可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成，并且這種分散工藝無(wú)需任何化學(xué)試劑即可自發(fā)進(jìn)行，避免殘留的表面活性劑不容易處理的問(wèn)題。

12、進(jìn)一步地，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300～350r/min，球料比3.5～5:1，真空度為10-3～10-4mpa。

13、本發(fā)明中，球磨過(guò)程采用間歇式球磨工藝，每球磨20～25min停機(jī)10～15min。由于鋁粉的熔點(diǎn)為660℃，球磨過(guò)程中溫度升高會(huì)導(dǎo)致鋁顆粒發(fā)生冷焊而結(jié)塊，采用間歇式球磨，可以避免粉末顆粒的粗化。

14、本發(fā)明中，采用氧化鋯材質(zhì)磨球，避免磨球在球磨過(guò)程中表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而吸附石墨烯。為了獲取最佳球磨效果，所述氧化鋯磨球中，直徑8mm的大球占磨球總重量的20％，直徑為5mm的中球占磨球總重量的50％，直徑3mm的小球占磨球總重量的30％。

15、本發(fā)明中，s1中冷壓成型為在冷等靜壓壓力為60～80mpa下，保壓8～10min。

16、本發(fā)明采用了全新的石墨烯鋁基復(fù)合鑄造工藝，通過(guò)鋁-石墨烯預(yù)制塊將石墨烯引入到鋁合金熔體中，改善石墨烯在鋁基體中的分散效果和分布形態(tài)。由于兩種材料表面能相差較大，石墨烯極易在鋁熔體中團(tuán)聚。傳統(tǒng)攪拌鑄造法直接將石墨烯直接添加進(jìn)熔融鋁液中，石墨烯易浮于熔體表面并與高溫熔體發(fā)生反應(yīng)生成雜質(zhì)相。本發(fā)明借助鋁-石墨烯-鋅中間體向高溫熔體中引進(jìn)石墨烯增強(qiáng)相，避免石墨烯與不浸潤(rùn)的鋁合金熔體直接接觸，抑制石墨烯在熔體中的上浮、團(tuán)聚，改善石墨烯在鋁合金熔體中的熔解效果，實(shí)現(xiàn)均勻分散。進(jìn)行鋁合金熔體澆注時(shí)，從中間體一側(cè)緩慢澆入，避免中間體受到高溫熔體沖擊，造成表層鋅液流失。為進(jìn)一步緩解石墨烯與鋁因界面反應(yīng)造成導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能變差，可采用水冷式模具。高溫鋁合金熔體在冷卻水的強(qiáng)制冷卻作用下，快速凝固成坯殼，防止石墨烯長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下與鋁生成雜質(zhì)相。本發(fā)明新型鑄造工藝成功將石墨烯增強(qiáng)相引入鋁合金，在獲得優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其電導(dǎo)率的提升。

17、本發(fā)明中，s2中純鋅熔煉溫度為450～480℃。

18、本發(fā)明中，s3中預(yù)熱至溫度為150～200℃。

19、本發(fā)明中，s3中保壓處理為施加壓力10～20mpa，保壓2～5min。

20、一種鋁基石墨烯復(fù)合材料，通過(guò)上述方法制備得到。

21、本發(fā)明具有以下有益效果：

22、(1)本發(fā)明鋁基石墨烯復(fù)合材料制備方法，預(yù)先在鋁-石墨烯預(yù)制體表面均勻附著鋅層，利用低熔點(diǎn)的鋅液侵入石墨烯-鋁界面空隙，采用鋅層作為中間過(guò)渡，避免界面反應(yīng)生成al4c3雜質(zhì)相，鋅向鋁基體中的擴(kuò)散加強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度，最終制備了高強(qiáng)度高導(dǎo)電性的鋁基石墨烯復(fù)合材料。

23、(2)本發(fā)明借助鋅層作為中間過(guò)渡，在石墨烯不團(tuán)聚的前提下實(shí)現(xiàn)鋁基體和石墨烯穩(wěn)定復(fù)合，可用于批量化制備高性能、低成本的鋁-石墨烯復(fù)合材料。該復(fù)合材料中石墨烯分散程度較高、分布形態(tài)良好，具有作為新一代高強(qiáng)高導(dǎo)鋁合金的潛力。