一種銅基烯合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種烯合金的制備方法，具體涉及一種銅基烯合金的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是一種新型二維納米材料，其納米片是由sp2雜化碳原子組成的單原子層 厚度的二維材料，是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，強度高達(dá)1. OlTpa，是結(jié)構(gòu)鋼的 100倍，密度卻是結(jié)構(gòu)鋼的1/5。導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m*K，高于碳納米管和金剛石，常溫下 電子迀移率超過200000cm2/V ? S，高于納米碳管或硅晶體，電阻率只約1 Q ? m，比銅或銀更 低，為世上電阻率最小的材料。
[0003] 石墨稀屬于納米級材料，具有表面活性，易與其他材料粒子結(jié)合。納米粒子最主要 的應(yīng)用是作為其他非納米材料改性時的填充材料，但很多的納米粒子制取和保存都相對困 難，石墨烯比較便于大規(guī)模制取和保存，因此可以用作其他材料改性時的填充材料。由于石 墨烯的韌性和強度及表面活性，當(dāng)作為填充材料時，可使石墨烯成為其他基礎(chǔ)材料晶粒之 間的隱性焊接材料，在晶粒界面形成鏈橋效應(yīng)?；A(chǔ)材料晶粒間通過石墨烯表面活性作用， 形成晶粒界面呈現(xiàn)無縫隙連接的形態(tài)?；A(chǔ)材料中的晶粒界面形成無縫隙連接后，在外力 作用時，其晶界滑移現(xiàn)象減少，抗應(yīng)力能力增加，從而使得被填充的基礎(chǔ)材料的強度隨著抗 應(yīng)力能力的提尚而增強。
[0004] 傳統(tǒng)工藝方法已很難提高金屬材料的強度，使用密度小強度大的石墨烯作為增強 材料，提高金屬材料強度的同時還能降低材料的密度。將石墨烯復(fù)合到鋁、鈦、鎂等金屬材 料中，可以得到輕質(zhì)高強、兼?zhèn)鋵?dǎo)電、導(dǎo)熱等功能特性的結(jié)構(gòu)功能一體化的復(fù)合材料。
[0005] 2014年05月08日，中航工業(yè)航材院的科研人員在國際石墨烯研究領(lǐng)域首創(chuàng)一類 具有優(yōu)異性能的新型合金材料"烯合金"材料。
[0006] 銅基復(fù)合材料的比強度和比剛度高，熱膨脹系數(shù)低，且具有良好的高溫性能和耐 磨性。目前銅基復(fù)合材料的增強填料主要為顆粒增強填料和纖維增強填料。纖維增強填料 不僅提高了銅基體的強度，還改善了塑性。碳納米管是一種重要的銅基纖維增強填料，但其 生產(chǎn)成本較高，石墨烯的成本低且輕質(zhì)高強。
[0007] 但石墨烯存在尺寸較小，比表面積大，很難分散，很容易團聚的問題，嚴(yán)重影響烯 合金的性能。目前石墨烯增強金屬基復(fù)合材料的工藝均存在產(chǎn)量低的問題，很難形成大規(guī) 模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為克服現(xiàn)有烯合金存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種制備石墨烯和金屬混合粉 體的方法，該方法改進(jìn)了石墨烯與銅和/或銅合金粉末的混粉工藝，石墨烯納米片均勻彌 散的分布到銅和/或銅合金基體中。
[0009] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0010] -種銅基烯合金的制備方法包括如下步驟：
[0011] a)制備石墨烯和銅和/或銅合金混合粉體，所述粉體包括如下重量份計組分：石 墨稀3 %~10 %，銅和/或銅合金粉末為余量；
[0012] a-1)制備石墨烯單分散溶液；
[0013] a-1-l)配置有機溶劑水溶液；
[0014] a-1-2)將石墨烯溶入有機溶劑水溶液中；
[0015] a-1-3)將步驟a-1-2)制備的石墨烯有機溶液放入超聲波震蕩器中進(jìn)行溶液攪 拌；
[0016] a-2)將銅和/或銅合金粉體加入到步驟a-1)所得石墨烯單分散溶液；
[0017] a-3)將步驟a-2)所得石墨烯和銅和/或銅合金混合溶液放入球磨罐中機械球磨 20 ~40h ;
[0018] a-4)將裝有經(jīng)步驟a~3)球磨得到的石墨烯和銅和/或銅合金混合溶液的燒杯 放入烘箱進(jìn)行烘干；
[0019] b)將步驟a)得到的石墨烯和銅和/或銅合金混合粉體裝入制備好的不銹鋼包套 內(nèi)（包套內(nèi)徑為80~120mm，包套內(nèi)腔高度為85~300mm);
[0020] c)將包套加熱至700~750°C后進(jìn)行真空除氣2~4h至真空度為1. 0X 10 3Pa， 將包套砸癟，焊接密封；
[0021] d)將步驟C)得到的密封的包套進(jìn)行熱等靜壓，溫度700°C~900°C，壓力100~ 200MPa，保溫保壓時間為2~4h ;
[0022] e)將熱等靜壓后的包套進(jìn)行機械加工，車削去掉包套皮，得直徑為55~85mm，高 度為55~200mm的圓柱形預(yù)制錠；
[0023] f)在惰性氣體的保護氛圍中將與步驟a)銅和/或銅合金粉末相同的銅和/或銅 合金加入坩堝后加熱坩堝至該銅和/或銅合金熔點之上30°C~80°C得到銅和/或銅合金 熔體；
[0024]g)在惰性氣體的保護氛圍中保持坩堝溫度不變將步驟e)得到的圓柱形預(yù)制錠加 入坩堝得到熔融有圓柱形預(yù)制錠的銅和/或銅合金熔體，經(jīng)攪拌后將銅基烯合金熔體迅速 澆鑄到石墨模具中，在惰性氣體的保護氛圍中空冷至室溫得到銅基烯合金鑄錠；
[0025] h)將步驟g)得到的銅基烯合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理，溫度為700°C~900°C下保 溫24~48h，用噸位200~500t的擠壓機以擠壓比為15 : 1~20 : 1進(jìn)行熱擠壓，得到 銅基稀合金棒材。
[0026] 進(jìn)一步的，步驟a-2)中銅和/或銅合金粉體的粒徑為5~100 y m。
[0027] 進(jìn)一步的，步驟a-1-l)中配置的有機溶劑的重量為石墨烯的19~191倍；所述有 機溶劑為從乙醇、NMP、聚乙二醇或PVP中選出的一種或多種，所述有機溶劑水溶液中有機 溶劑的質(zhì)量百分比為20%~100%。
[0028] 進(jìn)一步的，步驟a-1-3)將步驟a-1-2)制備的石墨烯有機溶液放入超聲波震蕩器 中進(jìn)行溶液攪拌的時間多2h。
[0029] 進(jìn)一步的，步驟a_3)中球磨罐中球料10 : 1~15 : 1，所述球磨機的轉(zhuǎn)速 多300r/min，所述球磨機的磨球為高碳絡(luò)軸承鋼質(zhì)材料磨球。
[0030] 進(jìn)一步的，步驟a-4)中烘干過程中烘干溫度為50~60°C，烘干的同時進(jìn)行機械攪 拌。
[0031] 進(jìn)一步的，步驟f)和g)中惰性氣體為SF6+N2，兩種氣體體積比為1 : 3。
[0032] 進(jìn)一步的，將步驟g)得到的銅基烯合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理，溫度為700°C~ 900°C下保溫24~48h，用乳鋼機乳制成型，得到銅基烯合金板材。
[0033] 進(jìn)一步的，銅基烯合金包括如下重量百分比的組分：石墨烯0. 1%~5%，銅和/或 銅合金為余量。
[0034] 由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括：
[0035] 1.本發(fā)明的一種銅基烯合金的制備方法，將一定量的銅基烯合金預(yù)制錠重熔到銅 合金恪液中，通過計算很好控制復(fù)合材料中石墨稀的含量，由于石墨稀不浮出來，銅基稀合 金中含量可準(zhǔn)確控制，是基于半連續(xù)熔鑄而提出的制備方法，工藝操作簡單、生產(chǎn)效率高、 制造成本低廉、易于實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
[0036] 2.本發(fā)明的一種銅基烯合金的制備方法，經(jīng)過重熔稀釋后，石墨烯仍然均勻分散 于銅熔液中，凝固時石墨烯的彌散性很強，不會發(fā)生二次團聚，鑄坯性能良好，進(jìn)行均勻化 處理后可擠壓成棒材及乳制成板材。
[0037] 3.本發(fā)明的一種銅基烯合金的制備方法，預(yù)制錠的重熔及鑄造過程中都有氣氛保 護，避免了銅和/或銅合金及石墨烯的氧化和變性。
[0038] 4.本發(fā)明的一種銅基烯合金的制備方法，實現(xiàn)預(yù)制錠與鑄造工藝的分離，易于實 現(xiàn)大批量大尺寸的銅基烯合金的制備，降低生產(chǎn)成本，具有優(yōu)異的工程應(yīng)用前景。
[0039] 5.本發(fā)明的一種銅基烯合金的制備方法，通過高能球磨的方式，通過球磨珠的碰 撞，將石墨烯均勻分散，解決了石墨烯容易團聚不易分散的問題，將石墨烯與銅和/或銅合 金粉末鑲嵌到一起，使得石墨稀與銅和/或銅合金粉末粉末均勾的混合。
[0040] 6.本發(fā)明的一種銅基稀合金的制備方法，通過高能球磨的將石墨稀鑲嵌到銅和/ 或銅合金粉末表面，將石墨烯均勻分散于銅和/或銅合金基體中，實現(xiàn)了石墨烯與銅和/或 銅合金界面的牢固結(jié)合，石墨烯與銅和/或銅合金粉末粉末具有良好的結(jié)合界面，為石墨 烯與銅和/或銅合金復(fù)合材料的性能提供保證。
[0041] 7.本發(fā)明的一種銅基烯合金的制備方法，改進(jìn)了石墨烯與銅和/或銅合金粉末的 混粉工藝，石墨烯納米片均勻彌散的分布到銅和/或銅合金基體中；采用重熔稀釋預(yù)制錠 的方法改善了石墨烯與銅合金熔體的潤濕性，其在銅合金熔體中均勻分散，經(jīng)過稀釋后的 復(fù)合材料由固體重熔成金屬液后石墨烯的彌散性優(yōu)異，無二次團聚現(xiàn)象，重新凝固時石墨 烯的彌散性很強，鑄造和鍛造性能得到大幅度提高。
【附圖說明】
[0042] 圖1是本發(fā)明實施例2中間步驟制得的石墨烯與