CN106566942A - 一种制备高性能石墨烯增强铝基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包括一个制备氧化石墨烯的步骤；一个对铝粉进行表面改性的步骤，制备出片状的铝粉；一个制备石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体的步骤；将石墨烯和铝粉混合后加入到酒精溶液中，然后进行超声处理0.1~1 h，温度在30~50℃，制备出石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体；将制备好的石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体放入一个热压烧结模具中，加载100~200MPa的压强，氩气或者氮气保护，热压烧结获得高性能石墨烯增强铝基复合材料。本发明有效的避免了石墨烯的团聚以及石墨烯与铝发生的界面反应，通过本发明制备的石墨烯增强铝基复合材料，显微硬度提高了30%以上。
Description
技术领域
本发明属于材料学领域，涉及一种铝基复合材料，具体来说是一种制备高性能石墨烯增强铝基复合材料的方法。
背景技术
铝基复合材料由于密度小，性能稳定在航空航天以及高端汽车制造领域有着广泛的应用。相比于传统增强体(陶瓷颗粒、碳纤维、碳纳米管等)，石墨烯具有密度低、力学性能高、导热性能好以及热膨胀系数低等优点，石墨烯自诞生起就被认为是一种非常有前途的增强体。成功开发高性能的石墨烯增强铝基复合材料，不仅可以提高复合材料性能，同时也可降低复合材料密度。
在石墨烯增强铝基复合材料的制备方法方面，主要有粉末冶金方法、铸造方法、搅拌摩擦加工等方法。在上述方法中由于粉末冶金方法工艺成熟、组织均匀及近净成形等特点，在石墨烯增强铝基复合材料的制备中备受关注。目前，粉末冶金成为了制备石墨烯增强铝基复合材料的重要方法。
经对现有技术文献的检索发现，Jingyue Wang等人在《Scripta Materialia》2012，Vol66， 594-597（材料快报，2012年，66卷，第594-597页）发表了“Reinforcementwith graphene nanosheets in aluminum matrix composites”论文，研究了通过加入PVA溶剂对铝粉表面进行改性，提高石墨烯的均匀分散性问题。S. F. Bartolucci 等人在《Materials Science and Engineering A》 2011，Vol 528 7933-7937(材料科学与工程A，2011年，528卷，7933-7937) 发表了“Graphene-aluminum nanocomposites”论文，研究了粉末冶金方法制备石墨烯增强铝基复合材料过程中，由于石墨烯与铝发生了界面反应而导致了在复合材料中生成了大量了Al4C3的碳化物，降低了复合材料的力学性能。因此，在粉末冶金方法制备石墨烯增强金属基复合材料过程中，石墨烯增强体的均匀分散性以及避免石墨烯与铝发生界面反应成为了制备高性能石墨烯增强铝基复合材料的关键问题。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种制备高性能石墨烯增强铝基复合材料的方法，所述的这种制备高性能石墨烯增强铝基复合材料的方法要解决现有技术中的石墨烯增强铝基复合材料制备过程中，石墨烯分散性差，容易与铝发生界面反应的技术问题。
本发明提供了一种制备高性能石墨烯增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：
1)一个制备氧化石墨烯的步骤；
2)一个对铝粉进行表面改性的步骤，对铝粉进行球磨，先低速150~200rpm球磨0.5~1h，随后高速350~400 rpm球磨2~4 h，制备出片状的铝粉，片状铝粉的厚度小于2 μm；
3)一个制备石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体的步骤；称取石墨烯和铝粉，所述的石墨烯和铝粉的质量比为0.3~1.5：99.7~99，然后将石墨烯和铝粉混合后溶于酒精溶液中获得混合溶液，石墨烯和铝粉的质量与酒精溶液的质量体积比为50g：200ml，在酒精溶液中，水和酒精的体积比在1:4~4:1之间，然后进行超声处理0.1~1 h，温度在30~50℃，随后清洗干燥，制备出石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体；
4)一个对石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体进行热压烧结的步骤，将制备好的石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体放入一个热压烧结模具中，加载100~200MPa的压强，在氩气或者氮气保护下进行热压烧结，热压烧结的过程分两步进行，第一步处理处理温度在190~210℃，保温时间在30 min；第二步处理温度在580℃，热压烧结2~3 h，压强为100~200 MPa之间，冷却后获得高性能石墨烯增强铝基复合材料。
本发明以高纯的石墨粉为原料，采用改进的Hummer’s 方法制备出氧化石墨烯，并结合离心处理，获得尺寸基本一致的纳米氧化石墨烯片。然后采用机械球磨的方法，对颗粒状铝粉进行球磨，制备出片状铝粉,在球磨过程中，采用两步球磨的方法，先低速球磨后高速球磨，目的是制备尺寸均匀的片状铝粉。再配置不同比例的水和酒精溶剂，将铝粉和氧化石墨烯放入其中，均匀搅拌并加热一定温度超声处理一定时间。在上述条件下，铝粉发生部分水解，在其表面形成氢氧化铝，同时氧化石墨烯发生部分还原，且吸附在铝粉表面，最后清洗干燥形成石墨烯/氢氧化铝/铝的多层包覆结构粉体。对制备的石墨烯/氢氧化铝/铝的多层包覆结构粉体，进行热压烧结处理，在烧结过程中分成两步，第一步氢氧化铝的热分解形成石墨烯/氧化铝/铝多层包覆结构；第二步石墨烯增强铝基复合材料的高温烧结处理，获得高性能石墨烯增强铝基复合材料。
本发明先制备石墨烯/氧化铝/铝多层包覆结构的粉体，有效的避免了石墨烯的分散不均以及铝和石墨烯之间的界面反应，这将有助于提高石墨烯增强铝基复合材料的力学性能。
本发明引入铝粉水解反应，在片状铝粉表面形成氢氧化铝，并吸附且部分还原氧化石墨烯，实现石墨烯的均匀分散；在粉末冶金热压烧结过程中，首先实现氢氧化铝热分解，形成石墨烯/氧化铝/铝包覆结构，本发明有效的避免了石墨烯的团聚以及石墨烯与铝发生的界面反应，通过本发明制备的石墨烯增强铝基复合材料，显微硬度提高了30%以上。该发明为石墨烯增强铝基复合材料的制备提供了一种新方法。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明通过对铝粉表面进行原位改性，形成石墨烯/氧化铝/铝的多层包覆结构，有效的实现了石墨烯的均匀分散以及避免了石墨烯与铝表面发生界面反应。
附图说明
图1是实例1中铝粉球磨改性前后扫描电镜照片。
图2是实例1中石墨烯/氢氧化铝/铝复合粉体扫描电镜照片以及DES元素分析结果。
图3是实例1纯铝以及石墨烯增强铝基复合材料显微硬度结果。
具体实施方式
实施例1
(1) 氧化石墨烯的制备及铝粉的表面改性
氧化石墨烯的制备方法：1.采用高纯度石墨5 g，2.5 gNaNO3,加入到一定量的H2SO4溶液中，均匀搅拌，2. 随后逐渐加入一定量的KMnO4，均匀搅拌1小时左右； 3. 加入200 ml水，在100℃搅拌1小时，4，加入少量H2O2以及HCl溶液。随后离心分离不同尺寸的氧化石墨烯，获取尺寸基本一致（尺寸在10μm~20μm之间）的氧化石墨烯溶液。
铝粉表面改性方法：利用行星球磨机对铝粉进行球磨，首先低速150~200 rpm ，球磨0.5~1 h，随后高速350~400 rpm左右，时间2~4 h，使球状颗粒铝粉变成片状铝粉（球磨前后铝粉微观形貌，见图1）。
(2) 石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体的制备
将氧化石墨烯和片状铝粉(质量比在1.5: 98.5)加入到水和酒精的混合溶液中，石墨烯和铝粉的质量与酒精溶液的质量体积比为50g：200ml，水和酒精的混合溶液中，水/酒精的体积比=1:4~ 4:1之间，超声搅拌0.1~1 h时间，温度在30~50℃之间，随后清洗干燥。在这个过程中，铝与水发生了部分的水解反应，同时氧化石墨烯发生了部分的还原，形成了还原氧化石墨烯（复合粉体微观形貌见图2）。
(3) 石墨烯增强铝基复合材料的热压烧结及复合材料显微硬度测试
将制备好的石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体放入热压烧结模具中，并设置好热压烧结参数。（加载压强：150MPa，氩气保护，第一阶段：200℃保温30 min，第二阶段：580℃保温3 h）。对石墨烯增强体的铝材料进行显微硬度测试，载荷200g，保持载荷时间15s。每种材料制备3组试样，各测试10个点，取其平均值。
测量结果表明，通过该方法制备的石墨烯/氧化铝/铝的多层包覆结构粉体可制成性能优异的石墨烯增强铝基复合材料。显微硬度测试结果显示，石墨烯增强铝基复合材料（0.3wt%石墨烯含量）较没有添加石墨烯的纯铝材料提高了30%。该方法可用于制备高性能石墨烯增强铝基复合材料。
Claims (1)
1.一种制备高性能石墨烯增强铝基复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）一个制备氧化石墨烯的步骤；
2）一个对铝粉进行表面改性的步骤，对铝粉进行球磨，先低速150~200 rpm 球磨0.5~1h，随后高速350~400 rpm球磨2~4 h，制备出片状的铝粉，片状铝粉的厚度小于2 μm；
3）一个制备石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体的步骤；称取石墨烯和铝粉，所述的石墨烯和铝粉的质量比为0.3~1.5：99.7~99，然后将石墨烯和铝粉混合后溶于酒精溶液中获得混合溶液，石墨烯和铝粉的质量与酒精溶液的质量体积比为50g：200ml，在酒精溶液中，水和酒精的体积比在1:4~4:1之间，然后进行超声处理0.1~1 h，温度在30~50℃，随后清洗干燥，制备出石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体；
4）一个对石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体进行热压烧结的步骤，将制备好的石墨烯/氢氧化铝/铝多层包覆结构粉体放入一个热压烧结模具中，加载100~200MPa的压强，在氩气或者氮气保护下进行热压烧结，热压烧结的过程分两步进行，第一步处理处理温度在190~210℃，保温时间在30 min；第二步处理温度在580℃，热压烧结2~3 h，压强为100~200 MPa之间，冷却后获得高性能石墨烯增强铝基复合材料。
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