CN107012355B - 一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，涉及一种铝基复合材料的制备方法。本发明为了解决目前单层石墨烯在铝基复合材料领域应用存在的成本高、分散难度大的问题。制备方法：一、称取多层石墨烯微片铝金属粉末，称取工业纯铝块体；所述工业纯铝块体和铝金属粉末的重量比为(3～10)：1；二、多层石墨烯微片分散与预制块成型；三、铝金属浸渗；四、大塑性变形处理；五、高温熔合处理；六、重复塑性变形和高温熔合处理。本发明是以低价格多层石墨烯微片为增强体原材料，因此成本较低，得到的复合材料中单层石墨烯的含量最高可达4wt.％。本发明适用于制备单层石墨烯增强铝基复合材料。

Description

一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝基复合材料的制备方法。
背景技术：
石墨烯具有高达125GPa的抗拉强度、1TPa的弹性模量和5000W/(m·K)的热导率，无疑是一种综合性能优越的、近乎理想的增强体。石墨烯按照层数可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯(3～10层)和多层石墨烯(层数大于10层，总厚度小于10nm)。目前采用石墨烯来改善树脂和陶瓷的性能的研究最为活跃，而利用石墨烯增强金属基，尤其是增强铝基复合材料的研究相对较少。制备的工艺方法主要是固相法和液相法，固相法包括各种粉末冶金方法、搅拌摩擦焊以及最新的放电等离子烧结(SPS)法等，液相法包括压力浸渗法等。同时主要以是多层石墨烯微片为原材料，制备的是少层或多层石墨烯增强的铝基复合材料。
但是石墨烯一个重要的强化机制就是其极大的比表面积。比表面积越大，其增强效率越高。因此理论上讲，对于相同含量的单层石墨烯和层数为n层的石墨烯，单层石墨烯的增强效率是后者的n2倍。因此采用单层石墨烯将具有优异的增强效率。但是目前单层石墨烯的价格是多层石墨烯微片的上百倍，高品质的单层石墨烯原材料价格超过100万元/公斤，而十层以上的多层石墨烯微片的价格低于3000元/公斤。采用单层石墨烯制备石墨烯增强铝基复合材料的石墨烯的成本约为4000万元每吨，采用多层石墨烯制备备石墨烯增强铝基复合材料的成本约为10万元每吨；采用少层石墨烯制备石墨烯增强铝基复合材料的石墨烯的成本约为800万元每吨；这极大地限制了单层石墨烯作为原材料在铝基复合材料中的应用。另一方面，由于其分散性的原因，直接将单层石墨烯加入到复合材料中，其能加入的含量较多层石墨烯微片要少很多，这也会影响复合材料的性能。因此如何能低成本向铝合金中引入更多的单层石墨烯，从而显著提高铝基复合材料的性能，是目前限制单层石墨烯在铝基复合材料中应用的一个主要技术难点。
现有文献中公开了通过压力浸渗工艺制备石墨烯/铝复合材料，并采用大塑性变形制备4层石墨烯增强铝基复合材料的方法，但是该论文中采用了压力浸渗工艺，其压力实现方式通过机械装置的压头向下单向加压，该方式易造成不同方向的施压不均匀性；另外该文献中在挤压和轧制处理过程中，采用的是单一基体，并且是在固相线以下进行变形处理，制备得到的复合材料基体流动性差，最终导致微观获得的剪切应力小，石墨烯打开不充分；同时大塑性变形间隔未进行退火处理，材料变得很硬很脆，从而导致难以进一步塑性变形，最终只得到4层石墨烯增强的铝基复合材料，并且石墨烯层片之间还存在明显的交叠区，石墨烯未完全打开。
发明内容：
本发明为了解决目前单层石墨烯在铝基复合材料领域应用存在的成本高、分散难度大的问题，提出了一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法。
一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，该方法按以下步骤进行：
一、称料
按质量分数称取0.5％～4％多层石墨烯微片和96％～99.5％铝金属粉末，称取工业纯铝块体；所述工业纯铝块体和铝金属粉末的重量比为(3～10)：1；
所述多层石墨烯微片的平均片径为100nm～10μm，平均厚度为6～50nm；所述铝金属粉末的平均粒径为1～30μm；
所述铝金属粉末的材质为铝合金；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或其中几种的组合；
所述Al-Si合金中Si的质量分数为2％～25％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Cu-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；
所述工业纯铝块体中非铝元素杂质含量总和不超过0.7wt.％；采用工业纯铝块体作为基体，工业纯铝的强度低，延伸率高，变形能力强，有利于后期的大塑性变形处理；
二、多层石墨烯微片分散与预制块成型
将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以100～400rpm的转速球磨4～15h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；
所述进行冷压的具体步骤为：在加压速度为0.1～30mm/min下向混合粉末加压至4～8MPa并保压5～20min；所述球磨罐中的球料比为(5～20)：1；
三、铝金属浸渗
将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度小于10-4MPa，然后加热真空气压浸渗炉，在真空下将多层石墨烯微片/铝预制体预热到400～660℃；将步骤一称取的工业纯铝块体加热至760～950℃并保温0.5h～2h得到熔融的铝金属；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体浸入熔融的铝金属后停止加热，然后向真空气压浸渗炉内通入保护气体，在真空气压浸渗炉的炉内温度自然冷却至室温后即得到高致密的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭；
所述保护气体为氮气、氩气或氦气；所述保护气体的压力为0.1MPa～10MPa；
所述真空气压浸渗炉的炉腔的上部和下部采用独立温度控制，因此可以实现腔内上下温度不同；由于炉腔的熔融温度较高，得到的熔融铝金属的流动性较好，熔融铝金属与多层石墨烯微片的润湿性能也得到改善，有利于后期复合材料制备；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体完全浸入工业纯铝熔液后，停止加热，同时向炉腔内充入快速保护气体，形成各向同性的等静压力，将工业纯铝熔液充分浸渗到多层石墨烯微片间的微米、亚微米甚至是纳米间隙中；
多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭是由多层石墨烯微片、铝金属颗粒以及包覆它们的工业纯铝基体组成的；由于铝金属粉末与工业纯铝基体的力学性能不一样，因此二者在变形过程中的应变不一样，从而形成微观剪切应力，使多层石墨烯微片片层打开；
四、大塑性变形处理
将步骤三中得到的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到少层石墨烯增强铝基复合材料；所述大塑性变形处理为挤压变形处理或轧制处理；所述挤压变形处理或轧制处理的温度为400℃～600℃，变形比为(10～40)：1；
大塑性变形产生剪切应力能使多层石墨微片的片层逐渐打开；但是由于铝基体与片层打开所形成的新的石墨烯表面未形成强的键合而只是范德华力结合，因此不能充分发挥石墨烯的强化作用；
五、高温熔合处理
将步骤四中得到的大塑性变形后的多层石墨烯增强铝基复合材料加热至660～700℃，并保温0.1～0.5h；
高温熔合处理的目的是提高铝基体与石墨烯的键合，同时消除铝基体的形变强化和残余应力。虽然高温熔合处理温度在铝合金熔点以上，但是由于石墨烯的约束作用，铝基体处理半固-半液态，活动能力很强的铝原子与片层打开后形成的石墨烯新表面原子形成部分化学键合从而降低体系的表面自由能，这会提高石墨烯与铝的界面结合，从而更有利于发挥石墨烯的增强作用，同时高温熔合处理会使完全消除铝基体的形变强化和残余应力，有利用后期的变形；
六、重复塑性变形和高温熔合处理
重复步骤四和步骤五5～9次至塑性变形处理后的复合材料铸锭的硬度值差值在5％以内，即得到单层石墨烯增强铝基复合材料；
重复塑性变形使多层石墨烯完全转化为单层石墨烯，高温熔合处理有利于提高石墨烯与铝基体的界面结合，并有利于塑性变形，最终获得单层石墨烯增强铝基复合材料。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明以多层石墨烯微片为原材料，采用铝金属粉末颗粒来分散石墨微片，将多层石墨烯微片均匀地引入铝基体中，采用工业纯铝基体来填充石墨微片的孔隙的非匀质设计，可以克服由于高温下铝剪切应力低而导致的施加在石墨微片上应力较低的问题；在大塑性变形过程中，利用了铝金属粉末颗粒和纯铝基体的力学响应不一致的特性，将剪切应力通过界面传递到多层石墨烯微片上；由于这个剪切应力大于多层石墨烯微片的层间强度，进而使多层石墨烯微片层沿塑性变形方向发生错动，使多层石墨烯微片层与层之间错动打开。通过多次大塑性变形，最终实现多层石墨烯在铝基体中原位单层化，从而获得高性能的单层石墨烯增强铝基复合材料；
2、本发明是以低价格多层石墨烯微片为增强体原材料，多层石墨烯微片的成本仅为10万元每吨，与直接采用单层石墨烯为原料相比成本明显降低；
3、本发明以石墨烯微片为增强体原材料，使最终得到的复合材料中单层石墨烯的含量最高可达4wt.％，解决了现有技术中只能分散得到含1wt.％的单层石墨烯复合材料的分散难度大的问题。
4、本发明解决了压力铸造坯料性能差以及铝基体流动性差导致的石墨烯打开不充分和成品率低的问题，本发明以真空气压浸渗来实现预制体的各向同性浸渗，得到的铸造坯料性能高；同时采用复合材料铸锭固相线以上温度进行大塑性变形；在这种情况下，工业纯铝基体具有优异的流动性能，能够实现石墨烯片层的大范围流动，从而成品率高达60～70％，，且充分打开石墨烯片层；
5、本发明通过大塑性变形实现石墨烯单层化，同时在每次塑性变形后通过高温熔合处理，一方面提高铝基体与石墨烯的界面键合，另一方面消除铝基体的形变强化和残余应力，从而有利于后期塑性变形并提高材料性能。
6、本发明采用大塑性变形5～9次将多层石墨烯微片转化为单层石墨烯，研究结果表明，对于平均片径为100nm～10μm，平均厚度为6～50nm的多层石墨烯微片，重复3～7次大塑性变形处理后复合材料内石墨烯的平均层数达到3～4层(原始层数越薄，所需要的次数越多)，之后通过2次大塑性变形，就可以使4层石墨烯充分打开，从而获得单层石墨烯增强铝基复合材料。
7、本发明制备单层石墨烯增强铝基复合材料的性能优异，典型性能如为：弹性模量超过90GPa，屈服强度超过550MPa，抗拉强度超过700MPa，延伸率超过4％；
8、本发明提供了一种低成本地制备出单层石墨烯增强铝基复合材料的方法，工艺方法简单、易操作、复合材料性能优异，易于实现产业化生产及应用；
附图说明：
图1为实施例1得到的单层石墨烯增强铝基复合材料的显微组织照片。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，该方法按以下步骤进行：
一、称料
按质量分数称取0.5％～4％多层石墨烯微片和96％～99.5％铝金属粉末，称取工业纯铝块体；所述工业纯铝块体和铝金属粉末的重量比为(3～10)：1；
二、多层石墨烯微片分散与预制块成型
将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以100～400rpm的转速球磨4～15h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；
所述进行冷压的具体步骤为：在加压速度为0.1～30mm/min下向混合粉末加压至4～8MPa并保压5～20min；
三、铝金属浸渗
将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度小于10-4MPa，然后加热真空气压浸渗炉，在真空下将多层石墨烯微片/铝预制体预热到400～660℃；将步骤一称取的工业纯铝块体加热至760～950℃并保温0.5h～2h得到熔融的铝金属；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体浸入熔融的铝金属后停止加热，然后向真空气压浸渗炉内通入保护气体，在真空气压浸渗炉的炉内温度自然冷却至室温后即得到高致密的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭；
四、大塑性变形处理
将步骤三中得到的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到少层石墨烯增强铝基复合材料；所述大塑性变形处理为挤压变形处理或轧制处理；所述挤压变形处理或轧制处理的温度为400℃～600℃，变形比为(10～40)：1；
五、高温熔合处理
将步骤四中得到的大塑性变形后的多层石墨烯增强铝基复合材料加热至660～700℃，并保温0.1～0.5h；
六、重复塑性变形和高温熔合处理
重复步骤四和步骤五5～9次至塑性变形处理后的复合材料铸锭的硬度值差值在5％以内，即得到单层石墨烯增强铝基复合材料。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式以多层石墨烯微片为原材料，采用铝金属粉末颗粒来分散石墨微片，将多层石墨烯微片均匀地引入铝基体中，采用工业纯铝基体来填充石墨微片的孔隙的非匀质设计，可以克服由于高温下铝剪切应力低而导致的施加在石墨微片上应力较低的问题；在大塑性变形过程中，利用了铝金属粉末颗粒和纯铝基体的力学响应不一致的特性，将剪切应力通过界面传递到多层石墨烯微片上；由于这个剪切应力大于多层石墨烯微片的层间强度，进而使多层石墨烯微片层沿塑性变形方向发生错动，使多层石墨烯微片层与层之间错动打开。通过多次大塑性变形，最终实现多层石墨烯在铝基体中原位单层化，从而获得高性能的单层石墨烯增强铝基复合材料；
2、本实施方式是以低价格多层石墨烯微片为增强体原材料，多层石墨烯微片的成本仅为10万元每吨，与直接采用单层石墨烯为原料相比成本明显降低；
3、本实施方式以石墨烯微片为增强体原材料，使最终得到的复合材料中单层石墨烯的含量最高可达4wt.％，解决了现有技术中只能分散得到含1wt.％的单层石墨烯复合材料的分散难度大的问题。
4、本实施方式解决了压力铸造坯料性能差以及铝基体流动性差导致的石墨烯打开不充分和成品率低的问题，本实施方式以真空气压浸渗来实现预制体的各向同性浸渗，得到的铸造坯料性能高；同时采用复合材料铸锭固相线以上温度进行大塑性变形；在这种情况下，工业纯铝基体具有优异的流动性能，能够实现石墨烯片层的大范围流动，从而成品率高达60～70％，，且充分打开石墨烯片层；
5、本实施方式通过大塑性变形实现石墨烯单层化，同时在每次塑性变形后通过高温熔合处理，一方面提高铝基体与石墨烯的界面键合，另一方面消除铝基体的形变强化和残余应力，从而有利于后期塑性变形并提高材料性能。
6、本实施方式采用大塑性变形5～9次将多层石墨烯微片转化为单层石墨烯，研究结果表明，对于平均片径为100nm～10μm，平均厚度为6～50nm的多层石墨烯微片，重复3～7次大塑性变形处理后复合材料内石墨烯的平均层数达到3～4层(原始层数越薄，所需要的次数越多)，之后通过2次大塑性变形，就可以使4层石墨烯充分打开，从而获得单层石墨烯增强铝基复合材料。
7、本实施方式制备单层石墨烯增强铝基复合材料的性能优异，典型性能如为：弹性模量超过90GPa，屈服强度超过550MPa，抗拉强度超过700MPa，延伸率超过4％；
8、本实施方式提供了一种低成本地制备出单层石墨烯增强铝基复合材料的方法，工艺方法简单、易操作、复合材料性能优异，易于实现产业化生产及应用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述多层石墨烯微片的平均片径为100nm～10μm，平均厚度为6～50nm。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述铝金属粉末的平均粒径为1～30μm。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述铝金属粉末的材质为铝合金；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或其中几种的组合。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一所述Al-Si合金中Si的质量分数为2％～25％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Cu-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。其他步骤和参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二所述球磨罐中的球料比为(5～20)：1。其他步骤和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三所述保护气体为氮气、氩气或氦气；所述保护气体的压力为0.1MPa～10MPa。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，该方法按以下步骤进行：
一、称料
按质量分数称取1％多层石墨烯微片和99％铝金属粉末，称取工业纯铝块体；所述工业纯铝块体和铝金属粉末的重量比为10：1；
所述多层石墨烯微片的平均片径为300nm，平均厚度为7nm；所述铝金属粉末的平均粒径为10μm；
所述铝金属粉末的材质为铝合金；所述铝合金为Al-Si-Cu合金；所述Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为15％，Cu的质量分数为10％；
二、多层石墨烯微片分散与预制块成型
将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以250rpm的转速球磨10h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；
所述进行冷压的具体步骤为：在加压速度为1mm/min下向混合粉末加压至5MPa并保压10min；所述球磨罐中的球料比为5：1；
三、铝金属浸渗
将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度为5×10-5MPa，然后加热真空气压浸渗炉，在真空下将多层石墨烯微片/铝预制体预热到420℃；将步骤一称取的工业纯铝块体加热至780℃并保温1h得到熔融的铝金属；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体浸入熔融的铝金属后停止加热，然后向真空气压浸渗炉内通入保护气体，在真空气压浸渗炉的炉内温度自然冷却至室温后即得到高致密的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭；
所述保护气体为氮气；所述保护气体的压力为10MPa；
四、大塑性变形处理
将步骤三中得到的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到少层石墨烯增强铝基复合材料；所述大塑性变形处理为挤压变形处理；所述挤压变形处理的温度为600℃，变形比为20：1；
五、高温熔合处理
将步骤四中得到的大塑性变形后的多层石墨烯增强铝基复合材料加热至660℃，并保温0.5h；
六、重复塑性变形和高温熔合处理
重复步骤四和步骤五8次至塑性变形处理后的复合材料铸锭的硬度值差值为4％，即得到单层石墨烯增强铝基复合材料。
图1为实施例1得到的单层石墨烯增强铝基复合材料的显微组织照片。从图中1可知，一个单层石墨烯夹在两块铝中间，并且与两边的铝基体结合良好。实施例1得到的石墨烯增强铝基复合材料的弹性模量为98GPa，屈服强度为560MPa，拉伸强度为730MPa，延伸率为6.4％。
实施例2：
本实施例一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，该方法按以下步骤进行：
一、称料
按质量分数称取0.6％多层石墨烯微片和99.4％铝金属粉末，称取工业纯铝块体；所述工业纯铝块体和铝金属粉末的重量比为3：1；
所述多层石墨烯微片的平均片径为5μm，平均厚度为45nm；所述铝金属粉末的平均粒径为1μm；
所述铝金属粉末为铝合金；所述铝合金为Al-Zn-Cu合金；所述Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为5％，Cu的质量分数为3％；
二、多层石墨烯微片分散与预制块成型
将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以400rpm的转速球磨13h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；
所述进行冷压的具体步骤为：在加压速度为25mm/min下向混合粉末加压至8MPa并保压18min；所述球磨罐中的球料比为18：1；
三、铝金属浸渗
将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度为6×10-6MPa，然后加热真空气压浸渗炉，在真空下将多层石墨烯微片/铝预制体预热到520℃；将步骤一称取的工业纯铝块体加热至950℃并保温2h得到熔融的铝金属；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体浸入熔融的铝金属后停止加热，然后向真空气压浸渗炉内通入保护气体，在真空气压浸渗炉的炉内温度自然冷却至室温后即得到高致密的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭；
所述保护气体为氩气；所述保护气体的压力为5MPa；
四、大塑性变形处理
将步骤三中得到的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到少层石墨烯增强铝基复合材料；所述大塑性变形处理为挤压变形处理；所述挤压变形处理的温度为500℃，变形比为38：1；
五、高温熔合处理
将步骤四中得到的大塑性变形后的多层石墨烯增强铝基复合材料加热至680℃，并保温0.4h；
六、重复塑性变形和高温熔合处理
重复步骤四和步骤五7次至塑性变形处理后的复合材料铸锭的硬度值差值为4％，即得到单层石墨烯增强铝基复合材料。
实施例2得到的石墨烯增强铝基复合材料的弹性模量为95GPa，屈服强度为594MPa，拉伸强度为772MPa，延伸率为5.7％。
实施例3：
本实施例一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，该方法按以下步骤进行：
一、称料
按质量分数称取3.8％多层石墨烯微片和96.2％铝金属粉末，称取工业纯铝块体；所述工业纯铝块体和铝金属粉末的重量比为6：1；
所述多层石墨烯微片的平均片径为10μm，平均厚度为12nm；所述铝金属粉末的平均粒径为30μm；
所述铝金属粉末为铝合金；所述铝合金为Al-Zn-Mg-Cu合金；所述Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为8％，Mg的质量分数为2％，Cu的质量分数为1％；
二、多层石墨烯微片分散与预制块成型
将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以120rpm的转速球磨14h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；
所述进行冷压的具体步骤为：在加压速度为13mm/min下向混合粉末加压至4MPa并保压7min；所述球磨罐中的球料比为10：1；
三、铝金属浸渗
将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度为6×10-6MPa，然后加热真空气压浸渗炉，在真空下将多层石墨烯微片/铝预制体预热到520℃；将步骤一称取的工业纯铝块体加热至950℃并保温2h得到熔融的铝金属；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体浸入熔融的铝金属后停止加热，然后向真空气压浸渗炉内通入保护气体，在真空气压浸渗炉的炉内温度自然冷却至室温后即得到高致密的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭；
所述保护气体为氩气；所述保护气体的压力为5MPa；
四、大塑性变形处理
将步骤三中得到的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到少层石墨烯增强铝基复合材料；所述大塑性变形处理为挤压变形处理；所述挤压变形处理的温度为500℃，变形比为38：1；
五、高温熔合处理
将步骤四中得到的大塑性变形后的多层石墨烯增强铝基复合材料加热至680℃，并保温0.4h；
六、重复塑性变形和高温熔合处理
重复步骤四和步骤五7次至塑性变形处理后的复合材料铸锭的硬度值差值为4％，即得到单层石墨烯增强铝基复合材料。
实施例3得到的石墨烯增强铝基复合材料的弹性模量为135GPa，屈服强度为592MPa，拉伸强度为763MPa，延伸率为4.7％。

Claims (7)

1.一种单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：
一、称料
按质量分数称取0.5％～4％多层石墨烯微片和96％～99.5％铝金属粉末，称取工业纯铝块体；所述工业纯铝块体和铝金属粉末的重量比为(3～10)：1；
二、多层石墨烯微片分散与预制块成型
将步骤一称取的多层石墨烯微片和铝金属粉末装入球磨罐中，以100～400rpm的转速球磨4～15h得到的混合粉，将球磨后得到的混合粉末装入冷压模具中进行冷压得到多层石墨烯微片/铝预制体；
所述进行冷压的具体步骤为：在加压速度为0.1～30mm/min下向混合粉末加压至4～8MPa并保压5～20min；
三、铝金属浸渗
将步骤二得到的多层石墨烯微片/铝预制体和步骤一中称取的纯铝块体放入真空气压浸渗炉，纯铝块体放入真空气压浸渗炉的炉腔底部的石墨模具内，多层石墨烯微片/铝预制体置于真空气压浸渗炉的炉腔上部，将真空气压浸渗炉密闭并抽真空至真空度小于10- 4MPa，然后加热真空气压浸渗炉，在真空下将多层石墨烯微片/铝预制体预热到400～660℃；将步骤一称取的工业纯铝块体加热至760～950℃并保温0.5h～2h得到熔融的铝金属；将预热的多层石墨烯微片/铝预制体浸入熔融的铝金属后停止加热，然后向真空气压浸渗炉内通入保护气体，在真空气压浸渗炉的炉内温度自然冷却至室温后即得到高致密的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭；
四、大塑性变形处理
将步骤三中得到的多层石墨烯微片增强铝基复合材料铸锭进行大塑性变形处理得到少层石墨烯增强铝基复合材料；所述大塑性变形处理为挤压变形处理或轧制处理；所述挤压变形处理或轧制处理的温度为400℃～600℃，变形比为(10～40)：1；
五、高温熔合处理
将步骤四中得到的大塑性变形后的多层石墨烯增强铝基复合材料加热至660～700℃，并保温0.1～0.5h；
六、重复塑性变形和高温熔合处理
重复步骤四和步骤五5～9次至塑性变形处理后的复合材料铸锭的硬度值差值在5％以内，即得到单层石墨烯增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法的方法，其特征在于：步骤一所述多层石墨烯微片的平均片径为100nm～10μm，平均厚度为6～50nm。
3.根据权利要求1所述的单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法的方法，其特征在于：步骤一所述铝金属粉末的平均粒径为1～30μm。
4.根据权利要求1所述的单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法的方法，其特征在于：步骤一所述铝金属粉末的材质为铝合金；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Si-Cu-Mg合金中的一种或其中几种的组合。
5.根据权利要求4所述的单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法的方法，其特征在于：步骤一所述Al-Si合金中Si的质量分数为2％～25％；Al-Si-Cu合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Cu-Mg合金中Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％；Al-Zn-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn的质量分数为0.5％～55％，Mg的质量分数为0.5％～38％，Cu的质量分数为0.5％～53％；Al-Si-Cu-Mg合金中Si的质量分数为0.5％～25％，Cu的质量分数为0.5％～53％，Mg的质量分数为0.5％～38％。
6.根据权利要求1所述的单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法的方法，其特征在于：步骤二所述球磨罐中的球料比为(5～20)：1。
7.根据权利要求1所述的单层石墨烯增强铝基复合材料的制备方法的方法，其特征在于：步骤三所述保护气体为氮气、氩气或氦气；所述保护气体的压力为0.1MPa～10MPa。
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