CN106521220A - 一种新型石墨烯Al‑Cu中间合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型石墨烯Al‑Cu中间合金的制备方法，包括如下步骤：把铝粉、铜粉和石墨烯混合加入无水乙醇，用高能分散仪进行分散处理；分散处理后的混合物放在水浴中干燥至糊状；将糊状混合物再用真空干燥箱干燥；将干燥好的混合物用压片机进行室温压制；将压制的片状混合物在真空炉中高温烧结，随炉冷却。该制备方法可以有效解决制备Al‑Cu‑Gr过程中铝铜的合金化问题，这种中间合金可以用来制备铝基石墨烯复合材料。

Description

一种新型石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法
技术领域
本发明属于铝基石墨烯复合材料制备所需的含石墨烯中间合金的制备领域，是一种石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法，这种中间合金可以用来制备铝基石墨烯复合材料。
背景技术
石墨烯（Gr）是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料，被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质；其比表面积超大，可达2630m2/g；它的导热性也是已知物质中最高的(5000W•m-1•K-1)；在室温下，石墨烯载流子迁移率高达2×105cm2/（V•s），透光率达到97.9%，石墨烯的弹性模量（1100GPa）和抗拉强度（125GPa）均很大。因为石墨烯具有这些优异的力学、光学、热导性、电荷传输性及透气性等，所以石墨烯可作为增强体应用于金属基复合材料，以提升金属材料的性能，适应现代工业的应用。
石墨烯与金属的复合是石墨烯纳米复合材料研究中很重要的一部分，二者复合的形式依基体的不同主要分为以下两个方面：一方面，以石墨烯为载体负载金属纳米颗粒，提高纳米颗粒的活性并改善其分散性，在催化剂、传感器、光谱学等领域具有广阔的应用前景，这类材料称为石墨烯负载金属纳米颗粒复合材料；另一方面，将石墨烯纳米片添加到金属基体中，可在很大程度上提高金属材料的力学性能，同时不影响甚至改善材料的热学性能和电学性能，这类材料称为石墨烯增强金属基复合材料或者金属基石墨烯复合材料。
石墨烯具备优异的力学性能、热学性能和电学性能，是制备金属基纳米复合材料最为理想的增强体之一。然而，如何将石墨烯纳米片均匀分散到金属基体中，同时使石墨烯和金属间形成良好的接触界面且不破坏石墨烯的微观结构成为研究中的重点难题。目前，相关工作集中在石墨烯增强铝、镍和铜基复合材料的研究。
铝合金具有低密度、高强度和良好的延展性，在航空航天等领域得到了广泛应用。作为结构材料，其强度的提高一直是一项重点课题。目前，改变合金熔炼成分、调控方式，调整热处理和变形工艺等传统方法在进一步提高铝合金性能方面遇到了瓶颈，在寻找突破的过程中铝基复合材料应运而生。此外，常见的在铝合金中添加石墨、碳化硅、碳化硼等制备铝基复合材料提高合金强度的效果并不明显，同时材料塑性大幅降低。而石墨烯纳米片具有高的强度、大的比表面积，将其添加到铝合金中形成石墨烯增强铝基复合材料是提高铝合金强难题的很有前途的解决方法。
对于金属基复合材料中石墨烯的添加和分散方法有多种，如球磨法、直接添加机械搅拌法、直接添加超声搅拌法、分子水平混合法、化学气相沉积法、反向脉冲电镀法等，所制备的金属基石墨烯复合材料在性能上都有较大提高。
本发明提出先制备Al-Cu-Gr中间合金，石墨烯以中间合金的方式加入金属中，从而制备出石墨烯增强金属基复合材料。
对于中间合金，现在工业常用的方法是冶炼法，如果用冶金法制备含有石墨烯的中间合金，石墨烯团聚的问题不能有效解决，所以本人提出用粉末冶金法制备Al-Cu-Gr中间合金。
本发明提供了一种用粉末冶金方法制备含石墨烯中间合金的方法，从而可以直接添加到熔体中，制备石墨烯增强金属基复合材料。
本发明包括如下步骤：
（1）把铝粉、铜粉和石墨烯混合加入无水乙醇，用高能分散仪进行分散处理；
（2）分散处理后的混合物放在水浴中干燥至糊状；
（3）将糊状混合物再用真空干燥箱干燥；
（4）将干燥好的混合物用压片机进行室温压制；
（5）将压制的片状混合物在真空炉中高温烧结，随炉冷却；
进一步地，所述的铝粉、铜粉和石墨烯混合物中，所述石墨烯的质量百分含量在1%～3%，铝粉和铜粉总共的质量百分含量为97~99%；其中，铝粉和铜粉的质量比例为47：53。
进一步地，步骤（1）所述的分散处理时间为5～10h。
进一步地，步骤（2）所述的水浴干燥温度为80～90℃，并伴随机械搅拌。
进一步地，步骤（3）所述的真空干燥箱干燥的温度为90～150℃。
进一步地，步骤（4）所述的压片时所用压力为20～30MPa。
进一步地，步骤（5）所述的真空高温烧结温度为680～800℃，保温时间为1～3h。
本发明具有如下优点：
通过将铝粉、铜粉和石墨烯在无水乙醇中高能分散仪进行分散处理，可以解决石墨烯在混合物中的分散问题，另一方面通过高温烧结使Al、Cu发生合金化生成Al2Cu，使得这种含石墨烯的中间合金在熔炼铝合金时既保证石墨烯能较均匀的分散在基体中，同时也能保证铜不以单质形式存在，而是形成Al2Cu，从而提高铝合金石墨烯复合材料的性能。
附图说明
具体实施方式
下面介绍具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
铝和铜的质量百分比为47：53，石墨烯的质量百分含量为1%时，分散处理时间5小时，水浴干燥温度80℃，真空干燥温度90℃，压片压力20MPa，烧结温度为680℃，烧结保温时间1小时，在这种配比及工艺参数下制备的Al-Cu-Gr中间合金成分均匀，无氧化现象。在90g的铝溶液中添加中间合金10g，得到石墨烯含量为0.1%的铝合金石墨烯复合材料，拉伸强度达到262MPa，比纯铝的提高了约70%。
实施例2
铝和铜的质量百分比为47：53，石墨烯的质量百分含量为2%时，分散处理时间8小时，水浴干燥温度85℃，真空干燥温度120℃，压片压力25MPa，烧结温度为750℃，烧结保温时间2小时，在这种配比及工艺参数下制备的Al-Cu-Gr中间合金成分均匀，无氧化现象。在90g的铝溶液中添加中间合金10g，得到石墨烯含量为0.2%的铝合金石墨烯复合材料，拉伸强度达到285MPa，比纯铝的提高了约85%。
实施例3
铝和铜的质量百分比为47：53，石墨烯的质量百分含量为3%时，分散处理时间10小时，水浴干燥温度90℃，真空干燥温度150℃，压片压力30MPa，烧结温度为800℃，烧结保温时间3小时，在这种配比及工艺参数下制备的Al-Cu-Gr中间合金成分均匀，无氧化现象。在90g的铝溶液中添加中间合金10g，得到石墨烯含量为0.3%的铝合金石墨烯复合材料，拉伸强度达到281MPa，比纯铝的提高了约82%。

Claims (7)

1.一种新型石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）把铝粉、铜粉和石墨烯混合加入无水乙醇，用高能分散仪进行分散处理；
（2）分散处理后的混合物放在水浴中干燥至糊状；
（3）将糊状混合物再用真空干燥箱干燥；
（4）将干燥好的混合物用压片机进行室温压制；
（5）将压制的片状混合物在真空炉中高温烧结，随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法，其特征在于：所述的铝粉、铜粉和石墨烯混合物中，所述石墨烯的质量百分含量在1%～3%，铝粉和铜粉总共的质量百分含量为97~99%；其中，铝粉和铜粉的质量比例为47：53。
3.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的分散处理时间为5～10h。
4.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的水浴干燥温度为80～90℃，并伴随机械搅拌。
5.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的真空干燥箱干燥的温度为90～150℃。
6.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的压片时所用压力为20～30MPa。
7.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯Al-Cu中间合金的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的真空高温烧结温度为680～800℃，保温时间为1～3h。
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