CN106756167B - 原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料制备方法，包括：以葡萄糖或柠檬酸为碳源，以六水合硝酸镍为镍源，结合可溶性盐模板NaCl共同混合溶解到去离子水溶液中，得到浅绿色均匀溶液；进行冷冻干燥和研磨处理，得到粉末；放入高温管式炉的恒温区内在进行合成，得到氯化钠‑三维石墨烯负载镍的混合粉末；洗涤直至完全除去氯化钠，再进行干燥处理，得到纳米镍修饰的三维石墨烯粉末；得到碱式硝酸镍均匀包覆纳米镍修饰的三维石墨烯的复合粉末；得到三维石墨烯镍粉的复合粉末。
Description
技术领域
本发明涉及一种原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料制备方法，属于金属基复合材料制备领域。
背景技术
石墨烯由sp2杂化的单层碳原子构成，具有周期性排列的蜂窝状点阵结构，具有优异的导电导热以及力学性能，单层石墨烯的弹性模量和抗拉强度分别能够达到1TPa和130GPa，是一种理想的复合材料增强相。镍基复合材料由于具有良好的高温强度、抗热疲劳、抗氧化性和耐腐蚀性等优良性能，广泛应用于航空航天领域的大部分承载构件、结构材料、以及航空发动机的热端部位，具有广阔的发展前景。已有研究表明，把石墨烯添加到镍基体中制备出石墨烯增强镍基复合材料，能够在很大程度上提高基体的力学性能，具有广阔的应用前景。
在石墨烯增强镍基复合材料的制备方面，大多数研究采用机械球磨混粉结合粉末冶金的工艺来实现石墨烯在基体材料中的分散。韩国的Rajarshi Banerjee教授课题组通过机械球磨来制备石墨烯和镍的复合粉末，采用放电等离子烧结的方法制备了不同石墨烯含量的复合材料，当石墨烯体积分数为1％时，得到强韧性兼备的石墨烯镍基复合材料，屈服强度达到370MPa，相比纯镍提高了131％，并且保持了40％的延伸率；许昌大学的赵超老师课题组采用分子级混合结合放电等离子烧结的方法制备了还原氧化石墨烯增强镍基复合材料，当还原氧化石墨烯含量为0.9wt％时，复合材料的屈服强度达到826MPa，比纯镍提高了328％，但复合材料的断裂延伸率有明显的降低，只有12.1％，相比于纯镍的34.2％降低了64.6％。目前关于石墨烯增强镍基复合材料的复合都不能达到理论强度，不能充分发挥石墨烯的增强作用，主要原因有三点：(1)不能实现石墨烯在镍基体中的均匀分布，石墨烯具有单原子层的结构，由于范德华力的存在容易大范围团聚，形成大的石墨片，从而失去了石墨烯优异的导电导热性以及优异的力学性能；(2)石墨烯与镍基体之间的润湿性较差，导致界面结合较弱，从而影响了石墨烯在复合材料中的增强效率；(3)目前大多数研究采用的是还原氧化石墨烯，经过强氧化剂氧化的氧化石墨烯并不一定能够被完全还原，会损失一部分性能，其高强度、透光性、导电性、导热性等性能不能完全恢复，因此石墨烯的增强效率大大降低。采用传统的高能球磨制备石墨烯和镍基体的复合粉末，虽然能在一定程度上实现石墨烯的分散，但球磨过成中的高能量和剧烈机械作用会破坏石墨烯的完整结构，从而在很大程度上降低石墨烯的增强效率。综上所述，目前的制备石墨烯增强镍基复合材料的方法在实现石墨烯的均匀分散、保持石墨烯结构完整以及与镍基体的良好结合等方面仍面临挑战，因此，寻找合适的复合方法实现石墨烯与镍基体的复合，提高石墨烯的增强效率，以弥补现有制备方法的不足，是发展高性能石墨烯增强镍基复合材料的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种过程简单，适于批量生产的三维石墨烯增强镍基复合材料制备方法，该方法制备的石墨烯镍基复合材料具有优异的力学性能，可以实现三维石墨烯在镍基体中的均匀分散并且与基体实现良好的界面结合。本发明是通过以下技术方案加以实现的，
一种原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料制备方法，包括以下步骤：
1)以葡萄糖或柠檬酸为碳源，以六水合硝酸镍为镍源，结合可溶性盐模板NaCl共同混合溶解到去离子水溶液中，其中镍源中镍元素与碳源中碳元素的摩尔比为1:5～1:50，与可溶性盐模板NaCl的摩尔比为1:200～1:400，得到浅绿色均匀溶液；
2)将步骤1)中制得的溶液进行冷冻干燥和研磨处理，得到粉末；
3)收集步骤2)制得的粉末，放入高温管式炉的恒温区内在进行合成，合成条件为：氩气与氢气比例4:1～1:1的混合气进行合成，合成温度600℃～800℃，升温速率5℃/min～10℃/min,，合成结束后以50℃/min～100℃/min的冷却速度快速冷却至室温，得到氯化钠-三维石墨烯负载镍的混合粉末；
4)将步骤3)中的氯化钠-三维石墨烯负载镍的混合粉末洗涤直至完全除去氯化钠，之后再将得到的样品放入烘箱中进行干燥处理，得到纳米镍修饰的三维石墨烯粉末；
5)称取一定质量的六水合硝酸镍溶于无水乙醇中充分溶解得到溶液，将步骤4)中制备的纳米镍修饰三维石墨烯均匀溶解到所得溶液里，并在75℃以下的条件蒸干，再放置到真空烘箱在55℃以下的条件下干燥得到碱式硝酸镍均匀包覆纳米镍修饰的三维石墨烯的复合粉末；
6)将硝酸镍均匀包覆的纳米镍修饰三维石墨烯粉末均匀铺撒在刚玉方舟中，置于高温管式炉恒温区400℃～500℃在氩气与氢气比例为4:1～1:1的混合气进行还原，随炉冷却，得到三维石墨烯镍粉的复合粉末；
7)将步骤6)得到的三维石墨烯镍粉的复合粉末装入高强石墨模具中，采用放电等离子烧结工艺进行复合材料的成型，烧结温度700℃～800℃，得到三维石墨烯增强镍基复合材料块体。
优选地，其中镍源中镍元素与碳源中碳元素的摩尔比为1:24。步骤2)中，冷冻干燥和研磨处理的方法为：移至0℃环境冷冻12h以上，得到固体混合物，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥16～32h，得到混合物粉末，进行充分研磨并筛分。
本发明具有以下优点：本发明利用廉价易得的原料制备三维石墨烯负载纳米镍的三维增强相，成本低廉，反应过程简单、三维石墨烯结构可控，纳米镍负载均匀，分散性较好，与石墨烯结合稳固；利用该三维增强相的特殊结构实现在镍基体中均匀分散，并保持三维石墨烯的完整性，利用在石墨烯上均匀分散的纳米镍促进了石墨烯与镍基体的良好界面结合；所制备的三维石墨烯增强的镍基复合材料具有优异的力学性能，屈服强度有了明显的提高同时保持了复合材料的良好韧性。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的纳米镍修饰三维石墨烯的SEM照片。从该图明显看出三维石墨烯具有良好的三维网状结构并且纳米镍负载均匀。
图2为本发明实施例1制得的碱式硝酸镍包覆纳米镍修饰三维石墨烯粉末的SEM照片。从该图明显看出碱式硝酸镍对三维石墨烯的均匀包覆。
图3为本发明实施例1制得的纳米镍修饰三维石墨烯-镍复合粉末的SEM照片。从该图明显看出镍粉均匀包覆三维石墨烯。
图4为本发明实施例1制得的三维石墨烯Raman光谱图
图5为本发明实施例1制得的纳米镍修饰三维石墨烯增强镍基复合材料块体的TEM照片。从该图明显看出三维石墨烯的均匀分散。
图6为本发明实施例1制得的三维石墨烯增强镍基复合材料的拉伸性能曲线。
图7为本发明实施例2制得的三维石墨烯增强镍基复合材料的拉伸性能曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体内容具体说明如下：
实施例1：
称取1.000g葡萄糖、0.431g六水合硝酸镍和21.535g氯化钠，将其混合后溶于80ml的去离子水中，以搅拌速度250r/min的磁力搅拌器，搅拌溶解配成溶液，混合均匀后得到浅绿色溶液。将混合液放入冰箱中12h结冰，之后置于冷冻干燥机中-50℃真空条件下冷冻干燥24h,得到三维石墨烯前驱体混合物。研磨混合物并过100目筛，取10g复合粉末平铺于刚玉方舟，将刚玉方舟置于高温管式炉恒温区，以100ml/min的速率通入氩气排净管中的空气，20min后切换到氩气与氢气比例为4:1的混合气，管式炉以5℃/min的升温速率升温到750℃，保温2h，之后以50℃/min的冷却速度降到室温，得到氯化钠与负载纳米镍的三维石墨烯复合粉末；将复合粉末溶于去离子水，抽滤3遍洗去氯化钠得到负载纳米镍的三维石墨烯，将该该三维石墨烯放入干燥箱8h得到干燥的纳米镍修饰三维石墨烯；称取49.961g六水合硝酸镍溶于300ml无水酒精中，电磁搅拌充分溶解，添加0.035g纳米镍修饰三维石墨烯粉末，超声分散30min，将溶液置于75℃经电磁搅拌蒸干，得到复合粉末前驱体，置于真空烘箱55℃干燥8h，将复合粉末前驱于400℃管式炉恒温区进行氢气条件下还原2h得到三维石墨烯镍粉复合粉末(三维石墨烯体积分数1.0vol％)；将20g左右的复合粉末装入φ30的高强石墨模具中进行放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)，烧结温度750℃，烧结压力50MPa，保温时间5min，制备得到三维石墨烯增强镍基复合材料块体。经过对该复合材料的力学性能测试，屈服强度达到473MPa，相对于纯镍样品提高188.4％，同时复合材料的延伸率为25.5％，并没有出现明显的下降。
实施例2：
称取1.000g葡萄糖、0.431g六水合硝酸镍和21.535g氯化钠，将其混合后溶于80ml的去离子水中，以搅拌速度250r/min的磁力搅拌器，搅拌溶解配成溶液，混合均匀后得到浅绿色溶液。将混合液放入冰箱中12h结冰，之后置于冷冻干燥机中-50℃真空条件下冷冻干燥24h,得到三维石墨烯前驱体混合物。研磨混合物并过100目筛，取10g复合粉末平铺于刚玉方舟，将刚玉方舟置于高温管式炉恒温区，以100ml/min的速率通入氩气排净管中的空气，20min后切换到氩气与氢气比例为4:1的混合气，管式炉以5℃/min的升温速率升温到750℃，保温2h，之后以50℃/min的冷却速度降到室温，得到氯化钠与负载纳米镍的三维石墨烯复合粉末；将复合粉末溶于去离子水，抽滤3遍洗去氯化钠得到负载纳米镍的三维石墨烯，将该该三维石墨烯放入干燥箱8h得到干燥的纳米镍修饰三维石墨烯；称取50.052g六水合硝酸镍溶于300ml无水酒精中，电磁搅拌充分溶解，添加0.0168g纳米镍修饰三维石墨烯粉末，超声分散30min，将溶液置于75℃经电磁搅拌蒸干，得到复合粉末前驱体，置于真空烘箱55℃干燥8h，将复合粉末前驱于400℃管式炉恒温区进行氢气条件下还原2h得到三维石墨烯镍粉复合粉末(三维石墨烯体积分数0.5vol％)；将20g左右的复合粉末装入φ30的高强石墨模具中进行放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)，烧结温度750℃，烧结压力50MPa，保温时间5min，制备得到三维石墨烯增强镍基复合材料块体。经过对该复合材料的力学性能测试，屈服强度达到344MPa，相对于纯镍样品提高109.8％，同时复合材料的延伸率为35.4％，与纯镍相比几乎没有下降。
实施例3：
称取1.000g葡萄糖、0.431g六水合硝酸镍和21.535g氯化钠，将其混合后溶于80ml的去离子水中，以搅拌速度250r/min的磁力搅拌器，搅拌溶解配成溶液，混合均匀后得到浅绿色溶液。将混合液放入冰箱中12h结冰，之后置于冷冻干燥机中-50℃真空条件下冷冻干燥24h,得到三维石墨烯前驱体混合物。研磨混合物并过100目筛，取10g复合粉末平铺于刚玉方舟，将刚玉方舟置于高温管式炉恒温区，以100ml/min的速率通入氩气排净管中的空气，20min后切换到氩气与氢气比例为4:1的混合气，管式炉以5℃/min的升温速率升温到750℃，保温2h，之后以50℃/min的冷却速度降到室温，得到氯化钠与负载纳米镍的三维石墨烯复合粉末；将复合粉末溶于去离子水，抽滤3遍洗去氯化钠得到负载纳米镍的三维石墨烯，将该该三维石墨烯放入干燥箱8h得到干燥的纳米镍修饰三维石墨烯；称取49.785g六水合硝酸镍溶于300ml无水酒精中，电磁搅拌充分溶解，添加0.070g纳米镍修饰三维石墨烯粉末，超声分散30min，将溶液置于75℃经电磁搅拌蒸干，得到复合粉末前驱体，置于真空烘箱55℃干燥8h，将复合粉末前驱于400℃管式炉恒温区进行氢气条件下还原2h得到三维石墨烯镍粉复合粉末(三维石墨烯体积分数2.0vol％)；将20g左右的复合粉末装入φ30的高强石墨模具中进行放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)，烧结温度750℃，烧结压力50MPa，保温时间5min，制备得到三维石墨烯增强镍基复合材料块体。经过对该复合材料的力学性能测试，屈服强度达到440MPa，相对于纯镍样品提高168.3％，同时复合材料的延伸率为24.6％，并没有出现明显的下降。
实施例4：
称取1.000g葡萄糖、0.431g六水合硝酸镍和21.535g氯化钠，将其混合后溶于80ml的去离子水中，以搅拌速度250r/min的磁力搅拌器，搅拌溶解配成溶液，混合均匀后得到浅绿色溶液。将混合液放入冰箱中12h结冰，之后置于冷冻干燥机中-50℃真空条件下冷冻干燥24h,得到三维石墨烯前驱体混合物。研磨混合物并过100目筛，取10g复合粉末平铺于刚玉方舟，将刚玉方舟置于高温管式炉恒温区，以100ml/min的速率通入氩气排净管中的空气，20min后切换到氩气与氢气比例为4:1的混合气，管式炉以5℃/min的升温速率升温到750℃，保温2h，之后以50℃/min的冷却速度降到室温，得到氯化钠与负载纳米镍的三维石墨烯复合粉末；将复合粉末溶于去离子水，抽滤3遍洗去氯化钠得到负载纳米镍的三维石墨烯，将该该三维石墨烯放入干燥箱8h得到干燥的纳米镍修饰三维石墨烯；称取49.961g六水合硝酸镍溶于300ml无水酒精中，电磁搅拌充分溶解，添加0.035g纳米镍修饰三维石墨烯粉末，超声分散30min，将溶液置于75℃经电磁搅拌蒸干，得到复合粉末前驱体，置于真空烘箱55℃干燥8h，将复合粉末前驱于400℃管式炉恒温区进行氢气条件下还原2h得到三维石墨烯镍粉复合粉末(三维石墨烯体积分数1.0vol％)；将20g左右的复合粉末装入φ30的高强石墨模具中进行放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)，烧结温度700℃，烧结压力50MPa，保温时间5min，制备得到三维石墨烯增强镍基复合材料块体。经过对该复合材料的力学性能测试，屈服强度达到453MPa，相对于纯镍样品提高176.2％，同时复合材料的延伸率为26.3％，并没有出现明显的下降。
实施例5：
称取1.000g葡萄糖、0.431g六水合硝酸镍和21.535g氯化钠，将其混合后溶于80ml的去离子水中，以搅拌速度250r/min的磁力搅拌器，搅拌溶解配成溶液，混合均匀后得到浅绿色溶液。将混合液放入冰箱中12h结冰，之后置于冷冻干燥机中-50℃真空条件下冷冻干燥24h,得到三维石墨烯前驱体混合物。研磨混合物并过100目筛，取10g复合粉末平铺于刚玉方舟，将刚玉方舟置于高温管式炉恒温区，以100ml/min的速率通入氩气排净管中的空气，20min后切换到氩气与氢气比例为4:1的混合气，管式炉以5℃/min的升温速率升温到750℃，保温2h，之后以50℃/min的冷却速度降到室温，得到氯化钠与负载纳米镍的三维石墨烯复合粉末；将复合粉末溶于去离子水，抽滤3遍洗去氯化钠得到负载纳米镍的三维石墨烯，将该该三维石墨烯放入干燥箱8h得到干燥的纳米镍修饰三维石墨烯；称取49.961g六水合硝酸镍溶于300ml无水酒精中，电磁搅拌充分溶解，添加0.035g纳米镍修饰三维石墨烯粉末，超声分散30min，将溶液置于75℃经电磁搅拌蒸干，得到复合粉末前驱体，置于真空烘箱55℃干燥8h，将复合粉末前驱于400℃管式炉恒温区进行氢气条件下还原2h得到三维石墨烯镍粉复合粉末(三维石墨烯体积分数1.0vol％)；将20g左右的复合粉末装入φ30的高强石墨模具中进行放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)，烧结温度800℃，烧结压力50MPa，保温时间5min，制备得到三维石墨烯增强镍基复合材料块体。经过对该复合材料的力学性能测试，屈服强度达到464MPa，相对于纯镍样品提高182.9％，同时复合材料的延伸率为25.8％，并没有出现明显的下降。
Claims (3)
1.一种原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料制备方法，包括以下步骤：
1)以葡萄糖或柠檬酸为碳源，以六水合硝酸镍为镍源，结合可溶性盐模板NaCl共同混合溶解到去离子水溶液中，其中镍源中镍元素与碳源中碳元素的摩尔比为1:5～1:50，与可溶性盐模板NaCl的摩尔比为1:200～1:400，得到浅绿色均匀溶液；
2)将步骤1)中制得的溶液进行冷冻干燥和研磨处理，得到粉末；
3)收集步骤2)制得的粉末，放入高温管式炉的恒温区内在进行合成，合成条件为：氩气与氢气比例4:1～1:1的混合气进行合成，合成温度600℃～800℃，升温速率5℃/min～10℃/min，合成结束后以50℃/min～100℃/min的冷却速度快速冷却至室温，得到氯化钠-三维石墨烯负载镍的混合粉末；
4)将步骤3)中的氯化钠-三维石墨烯负载镍的混合粉末洗涤直至完全除去氯化钠，之后再将得到的样品放入烘箱中进行干燥处理，得到纳米镍修饰的三维石墨烯粉末；
5)称取一定质量的六水合硝酸镍溶于无水乙醇中充分溶解得到溶液，将步骤4)中制备的纳米镍修饰三维石墨烯均匀溶解到所得溶液里，并在75℃以下的条件蒸干，再放置到真空烘箱在55℃以下的条件下干燥得到碱式硝酸镍均匀包覆纳米镍修饰的三维石墨烯的复合粉末；
6)将硝酸镍均匀包覆的纳米镍修饰三维石墨烯粉末均匀铺撒在刚玉方舟中，置于高温管式炉恒温区400℃～500℃在氩气与氢气比例为4:1～1:1的混合气进行还原，随炉冷却，得到三维石墨烯镍粉的复合粉末；
7)将步骤(6)得到的三维石墨烯镍粉的复合粉末装入高强石墨模具中，采用放电等离子烧结工艺进行复合材料的成型，烧结温度700℃～800℃，得到三维石墨烯增强镍基复合材料块体。
2.根据权利要求1所述的原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料的制备方法，其中，镍源中镍元素与碳源中碳元素的摩尔比为1:24。
3.根据权利要求1所述的原位合成三维石墨烯增强镍基复合材料的制备方法，步骤2)中，冷冻干燥和研磨处理的方法为：移至0℃环境冷冻12h以上，得到固体混合物，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥16～32h，得到混合物粉末，进行充分研磨并筛分。
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