CN106435244B - 一种铝-石墨烯金属复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝‑石墨烯金属复合材料的制备方法，(1)将氟化物添加到碱金属氯化物中，混匀，再加入金属或非金属的碳化物粉末；(2)将铝片放入到氧化铝坩埚中，把步骤(1)中的混合物放置在铝片上面，将氧化铝坩埚盖好，放入垂直加热炉，常压下升温至700‑800℃，锻烧0.5‑5h；(3)将步骤(2)中形成的液态混合物倒入坩埚，常温下冷却1‑2h，待液态混合物固化后，加入足量氯化钠溶液，过滤后留下固体混合物，用镊子缓缓将固体混合物中的铝片夹出来放在盖玻片上，放入去离子水中，换水三次，烘干，得铝‑石墨烯金属复合物。本发明工艺简单，且较节能、廉价；所得铝‑石墨烯复合材料的硬度、强度和延展性比纯铝材料至少高2‑3倍。

Description

一种铝-石墨烯金属复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料领域。涉及铝-石墨烯及其制备方法。
背景技术
近年来，碳质纳米材料包括石墨烯和碳纳米管因高导热性、高阻尼性容量、高弹性模量、高机械强度和良好的自润滑性而成为重要的结构和功能新材料的增强体。合成高导电性和硬度的新型轻质金属复合材料是现代材料科学的最重要目标之一。其中方向之一是制备高含量纳米或微米碳增强铝复合材料。铝基复合材料具有密度小，耐蚀性强，导电导热性能优异， 加工性能好等优点成为当前金属基复合材料研究的主流。 随着汽车和航空航天领域的发展，尤其是在太空空间，电离辐射等恶劣环境中对金属基复合材料的比强度，比模量，耐蚀性，导电导热等性能要求更高，传统的陶瓷纤维和颗粒增强体已经不能满足对材料的要求，相比于陶瓷纤维增强体，碳纤维和石墨颗粒增强体具有高的导热性，低的热膨胀系数， 优异的阻尼能力和非常好的自润滑性能。在最近几年因为石墨烯 优异的机械性能和物理性能被认为是最理想的金属基复合材料增强体。然而，由于碳材料例如石墨烯相比金属铝而言是一种非常轻的材料，常规方法很难制备出石墨烯能均匀一致的分布在铝金属中的复合材料。
发明内容
本发明的目的是提出一种铝-石墨烯金属复合材料的制备方法，提高铝系材料的硬度、强度和延展性。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种铝-石墨烯金属复合材料的制备方法，包括以下步骤。
（1）将氟化物添加到碱金属氯化物中，充分混合后，再加入金属或非金属的碳化物粉末。
（2）将铝片放入到氧化铝坩埚中，把步骤（1）中的混合物放置在铝片的上面，将氧化铝坩埚盖好后，放入到垂直加热炉中，在常压条件下加热升温至煅烧温度700-800 ℃，锻烧时间0.5-5h。
（3）高温煅烧完成后，将步骤（2）中形成的液态混合物倒入到坩埚中，在常温下冷却1-2h，待液态混合物固化后，加入足量的氯化钠溶液，过滤后留下固体混合物，用镊子缓缓将固体混合物中的铝片夹出来放在盖玻片上，放入去离子水中，换水三次后，放入烘箱烘干，得到铝-石墨烯金属复合物。
步骤（1）中所述的碱金属氯化物为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化铯或氯化银中的一种或两种。
步骤（1）所述的氟化物为氟化钠或三氟化铝，其加入量为步骤（1）中物质总质量的2%以内。
步骤（1）所述的金属或非金属碳化物粉末为碳化钨、碳化钛、碳化硼或碳化硅中任意一种。是用作含碳添加剂的。
本发明步骤（2）中所述的煅烧温度和煅烧时间优选：煅烧温度800℃；煅烧时间1.5h。
本发明步骤（2）中将步骤（1）的混合物放入到铝片上面的目的是防止熔融铝与空气中的氧接触而氧化。
本发明所提供的铝-石墨烯具有特定的密度和金属光泽以及导电特性。
本发明的方法可以制备出石墨烯含量高达2％（重量比），且石墨烯薄片能够可控、均匀一致地分布在金属本体中。石墨烯纳米片在金属基质的合成是一步的，直接发生在熔融碱金属卤化物的铝液里，无需单独合成石墨烯。因此制备方法简单，成本低。根据本发明制备的铝-石墨烯复合材料，其中的石墨烯均匀分布，层数可控，石墨烯片层线性尺寸可为100nm-150 mm，厚度为1-3nm（或者1-3层）。合成的物质中不存在碳化铝的，铝-石墨烯复合材料在氯化钠溶液中是耐腐蚀的。铝-石墨烯复合材料的硬度、强度和延展性比纯铝金属材料至少高2-3倍，并与石墨烯的浓度是成比例的。
本发明的技术效果：（1）本发明制备工艺简单，且较节能、廉价；（2）本发明所制备铝-石墨烯复合材料的硬度、强度和延展性比纯铝材料至少高2-3倍。
附图说明
图1为发明制备铝-石墨烯的原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
下面实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述材料试剂，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1。
（1）基础电解质的制备。
将0.5g三氟化铝添加到NaCl-CsCl中，充分混合后，再加入0.1g碳化钨。
（2）生长铝-石墨烯。
将直径3cm ，高度1cm，含有0.65％（重量）杂质（硅0.62%，锌0.03%）的铝片放入到氧化铝坩埚底部，把（1）中所配好的混合物放置在铝片的上面，盖好坩埚盖，并放到垂直加热炉中，在常压条件下加热升温至煅烧温度800 ℃，锻烧时间为1.5h，高温煅烧完成后，将坩埚中的液态混合物倒入到另一个氧化铝坩埚中，在常温下冷却，时间为2h，融盐混合物充分固化后，将其溶于质量分数为20%的氯化钠溶液中，过滤后得到固体混合物，用镊子缓缓将固体混合物中的铝片夹出来放在盖玻片上。测试所制备的铝-石墨烯复合材料的硬度、强度和延展性，大约是纯铝金属材料的1.20倍。
实施例2。
按实施例1中的制备方法，不同的是加入的碳化物为0.1g碳化钛，碱金属氯化物为KCl，煅烧温度为750℃，锻烧时间为3h，冷却时间为1.5h。测试所制备的铝-石墨烯复合材料的硬度、强度和延展性，大约是纯铝金属材料的1.31倍。
实施例3。
按实施例1中的制备方法，不同的是加入的碳化物为0.1g碳化硅，碱金属氯化物为KCl–AgCl，煅烧温度为700℃，锻烧时间为5h，冷却时间为2h。测试所制备的铝-石墨烯复合材料的硬度、强度和延展性，大约是纯铝金属材料的1.42倍。

Claims (5)

1.一种铝-石墨烯金属复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将氟化物添加到碱金属氯化物中，充分混合后，再加入金属或非金属的碳化物粉末；
（2）将铝片放入到氧化铝坩埚中，把步骤（1）中的混合物放置在铝片的上面，将氧化铝坩埚盖好后，放入到垂直加热炉中，在常压条件下加热升温至煅烧温度700-800 ℃，锻烧时间0.5-5h；
（3）高温煅烧完成后，将步骤（2）中形成的液态混合物倒入到另一个氧化铝坩埚中，在常温下冷却1-2h，待液态混合物固化后，加入足量的氯化钠溶液，过滤后留下固体混合物，用镊子缓缓将固体混合物中的铝片夹出来放在盖玻片上，放入去离子水中，换水三次后，放入烘箱烘干，得铝-石墨烯金属复合物。
2.根据权利要求1所述的铝-石墨烯金属复合材料的制备方法，其特征是步骤（1）所述的氟化物为氟化钠或三氟化铝，其加入量为步骤（1）中物质总质量的2%以内。
3.根据权利要求1所述的铝-石墨烯金属复合材料的制备方法，其特征是步骤（1）所述的碱金属氯化物为氯化锂、氯化钠、氯化钾或氯化铯中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的铝-石墨烯金属复合材料的制备方法，其特征是步骤（1）所述的金属或非金属碳化物粉末为碳化钨、碳化钛、碳化硼或碳化硅中任意一种。
5.根据权利要求1所述的铝-石墨烯金属复合材料的制备方法，其特征是步骤（2）所述的煅烧温度和煅烧时间为：煅烧温度800℃；煅烧时间1.5h。
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