CN107058830A - 一种石墨烯/铝合金复合装甲材料 - Google Patents

一种石墨烯/铝合金复合装甲材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Cu，3.8～4.9％；Mg，1.2～1.8％；Si，0.5％；Ti，0.15％；Fe，0.5％；Zn，0.25％；Mn，0.30～0.90％；Cr，0.10％；余量为Al和不可避免的杂质。该材料的制备方法包括如下步骤：制备层数小于10的石墨烯纳米片有机溶液；石墨烯包覆铝和/或铝合金粉末；将包覆后的石墨烯/铝合金粉末混合20～100min，即得石墨烯/铝合金复合装甲材料。本发明提供的方法及装置使石墨烯更均匀地分散在金属粉体中，石墨烯纳米片均匀地包覆在铝合金粉末表面，形成高质量界面结合；工艺简单、生产效率高、利于大规模产业化。

Description

一种石墨烯/铝合金复合装甲材料
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法及装置，具体涉及一种石墨烯/铝合金复合装甲材料。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，呈单层片状结构(厚度仅为几个纳米)。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料，其断裂强度高达130Gpa。因此，利用石墨烯的高强度，并将其与金属材料复合，制备成石墨烯金属复合材料，是一种新型的高强高韧金属基复合材料。
目前石墨烯与金属复合的工艺方法主要有两种：熔融铸造法和粉末冶金法。采用熔融铸造法制备石墨烯铝复合材料时，由于石墨烯二者密度差异大，石墨烯很难在铝液内部均匀分散，此外，二者在材料制备过程中还有可能发生高温界面反应，生成Al4C3脆性相，恶化材料性能。因此石墨烯铝复合材料较少采用熔融铸造法来制备。采用粉末冶金法制备石墨烯铝复合材料时，需要首先获得石墨烯和铝合金均匀混合的粉体，然后通过后续的压力加工来制备石墨烯铝复合块体材料，最大限度地抑制了传统熔融铸造法带来的高温界面反应。因此，石墨烯铝复合材料一般采用粉末冶金法来制备。
目前，轻型装甲车一直采用钢制防弹装甲，武装直升飞机采用钛合金防弹装甲。但是未来战争对陆军的远程投送能力、武装直升飞机的有效载荷能力都提出越来越高的要求，这就对装备重量提出了严苛要求，使得以前使用的钢制装甲和钛合金装甲已不能满足未来武器装备发展的需要。因此需要提供一种密度低，成本低，易批量生产的复合装甲材料。
对于铝基复合材料来说，增强相在铝基体中的分布是否均匀、增强相是否发生团聚、界面结合是否紧密，直接决定着复合材料性能的优劣。石墨烯存在尺寸小，比表面积大，很难分散，很容易团聚的问题，因此，石墨烯在铝基体中的均匀分散如何实现，是制备石墨烯铝复合材料需要突破的关键技术。尤其是采用粉末冶金法制备石墨烯铝复合材料时，如何获得石墨烯在铝合金粉体中均匀分散的混合粉体，是制备高品质石墨烯铝复合材料的前提和基础。
发明内容
为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，该方法及装置对石墨烯与铝和/或铝合金粉末混合进行改进，是一种新的工艺和方法，本方法及装置可将石墨烯纳米片均匀地包覆在金属粉体的表面，实现石墨烯与金属粉体的均匀混合。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：
一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，其特征在于，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Cu，3.8～4.9％；Mg，1.2～1.8％；Si，0.5％；Ti，0.15％；Fe，0.5％；Zn，0.25％；Mn，0.30～0.90％；Cr，0.10％；余量为Al和不可避免的杂质。
进一步地，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Cu，2.0～2.6％；Mg，1.9～2.6％；Si，0.12％；Ti，0.06％；Fe，0.15％；Zn，5.7～6.7％；Mn，0.1％；Cr，0.04％；Zr，0.08～0.15％；余量为Al和不可避免的杂质。
进一步地，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Cu 2.5％。
进一步地，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Mg 2.0％。
进一步地，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Zn 6.0％。
进一步地，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Zr 0.1％。
一种石墨烯/铝合金复合装甲材料制备方法，该材料制备方法的步骤如下：
1)制备石墨烯层数小于10的纳米片有机溶液：于7000～9000rpm转速、线速度85～115m/s下的离心纳米分散机中，对分散于有机溶液的石墨烯进行处理；
2)石墨烯包覆铝和/或铝合金粉末：用花洒网眼尺寸为60～280μm的喷淋装置将步骤1)的石墨烯纳米片有机溶液雾化喷洒于在混合机中高速旋转的铝和/或铝合金粉末上；
3)于混合机中对包覆后的石墨烯/铝合金粉末混合20～100min，即得石墨烯/铝合金复合装甲材料。
进一步地，所述方法制备的石墨烯包覆的铝合金粉末中，按质量百分数计含：石墨烯0.05％～9％，铝和/或铝合金91％～99.95％；所述铝和/或铝合金粉末的粒径为10～100μm；7所述花洒网眼尺寸为100μm～200μm。
进一步地，所述离心纳米分散机的转速为8000rpm，线速度为100m/s。所述混合机的转速为1000rpm。
进一步地，所述纳米片有机溶液中的有机溶剂为包括乙醇、NPM、聚乙二醇和/或PVP中的一种或多种，所述有机溶剂的浓度为20％～100％。
进一步地，所述纳米片有机溶液中的有机溶剂为无水乙醇。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，实现了石墨烯在铝合金粉体表面的包覆，有利于在石墨烯金属复合材料中形成高质量的石墨烯金属界面结合。
2、本发明提供的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料的制备方法，石墨烯不容易发生团聚，无二次团聚和重新凝固分散的现象。
3、本发明提供的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，无需凝固、无需碾压，避免形成板结或团聚。
4、本发明提供的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，无需振动和筛分，从而避免了由此带来的石墨烯和铝合金粉末的分布不均。
5、本发明提供的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，工艺操作简单、制造成本低廉、生产效率高。
6、本发明提供的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，无需加热也无需烘干，使石墨烯更好的在铝合金粉体表面包覆，即环保安全，又缩短制备周期。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料的制备装置的离心纳米分散机结构示意图；
图2为本发明实施例制得的石墨烯/铝合金复合装甲材料的扫描电镜(SEM)；
图3为本发明对比例制得的石墨烯/铝合金复合装甲材料的扫描电镜(SEM)。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种石墨烯/铝合金复合装甲材料的制备装置，该制备装置包括离心纳米分散机，具有研磨室(9)和筒体(1)，筒体(1)内装有需要解聚分散的纳米材料(2)和磨介(3)，筒体(1)上设有浆料进口(10)，浆料进口(10)与研磨室(9)相连，筒体(1)内设有搅拌装置(6)，其特征在于：还包括管道(7)和蠕动泵(8)，管道(7)插入筒体(1)内，管道(7)的管口靠近筒体(1)底部，管道(7)的管口扎有第一滤网(11)，第一滤网(11)的网格的尺寸小于磨介(3)的直径。
实施例2：
本实施例提供一种石墨烯/铝合金复合装甲材料的制备方法，具体步骤如下：
石墨烯包覆铝合金粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯0.05％，铝合金99.95％。石墨烯可以由Hummer’s法制备。铝合金为按质量百分比的下述组分：Cu，2.4％；Mg，1.9％；Si，0.12％；Ti，0.06％；Fe，0.15％；Zn，5.7％；Mn，0.1％；Cr，0.04％；Zr，0.1％；余量为Al和不可避免的杂质；铝合金粉末的粒径为10μm。
1)将石墨烯在浓度为95％的酒精溶液中超声分散后，然后置于转速为9000rpm，线速度为115m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯酒精溶液，所述石墨烯酒精溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；
2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸60μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在1000rpm的高效混合机中旋转的铝和/或铝合金粉末；其中，可以通过冷凝回收装置回收挥发溶剂，也可以通过其他方式实现回收和再利用，这里不做具体限定。
3)石墨烯酒精溶液全部喷洒完成后，保持高效混合机继续运行20min；
4)将混合均匀的石墨烯包覆铝合金的粉末从高效混合机中取出。
实施例3：
石墨烯包覆铝合金粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯9％，铝合金91％％。铝合金为按质量百分比的下述组分：Cu，2.0％；Mg，2.3％；Si，0.12％；Ti，0.06％；Fe，0.15％；Zn，6％；Mn，0.1％；Cr，0.04％；Zr，0.15％；余量为Al和不可避免的杂质。铝合金粉末的粒径为100μm。
1)将石墨烯在浓度为95％的酒精溶液中超声分散后，然后置于转速为8000rpm，线速度为100m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯酒精溶液，所述石墨烯酒精溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；
2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸280μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在1000rpm的高效混合机中旋转的铝和/或铝合金粉末；
3)石墨烯酒精溶液全部喷洒完成后，保持高效混合机继续运行40min；
4)将混合均匀的石墨烯包覆铝合金的粉末从所述高效混合机中取出。
实施例4
石墨烯包覆铝合金粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯5％，铝合金95％。铝合金为按质量百分比的下述组分：Cu，2.6％；Mg，2.6％；Si，0.12％；Ti，0.06％；Fe，0.15％；Zn，6.7％；Mn，0.1％；Cr，0.04％；Zr，0.08％；余量为Al和不可避免的杂质。铝合金粉末的粒径为50μm。
1)将石墨烯在有机溶剂(浓度为40％的酒精溶液)中超声分散后，然后置于转速为7000rpm，线速度为85m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯纳米片有机溶液，所述石墨烯纳米片有机溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；
2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸100μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在1100rpm的高效混合机中旋转的铝和/或铝合金粉末；
3)所述石墨烯纳米片有机溶液全部喷洒完成后，保持所述高效混合机继续运行100min；
4)将混合均匀的石墨烯包覆铝合金的粉末从所述高效混合机中取出。
实施例5
石墨烯包覆铝合金粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯0.05％，铝合金99.95％。铝合金为按质量百分比的下述组分：Cu，3.8％；Mg，1.2％；Si，0.5％；Ti，0.15％；Fe，0.5％；Zn，0.25％；Mn，0.30％；Cr，0.10％；余量为Al和不可避免的杂质。铝合金粉末的粒径为10μm。
1)将石墨烯在有机溶剂(浓度为20％的聚乙二醇溶液)中超声分散后，然后置于转速为8000rpm，线速度为100m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯纳米片有机溶液，所述石墨烯纳米片有机溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；
2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸180μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在1000rpm的高效混合机中旋转的铝和/或铝合金粉末；
3)所述石墨烯纳米片有机溶液全部喷洒完成后，保持所述高效混合机继续运行20min～100min；
4)将混合均匀的石墨烯包覆铝合金的粉末从所述高效混合机中取出。
实施例6
石墨烯包覆铝合金粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯9％，铝合金91％。铝合金为按质量百分比的下述组分：Cu，4.9％；Mg，1.8％；Si，0.5％；Ti，0.15％；Fe，0.5％；Zn，0.25％；Mn，0.90％；Cr，0.10％；余量为Al和不可避免的杂质。铝合金粉末的粒径为100μm。
1)将石墨烯在有机溶剂(浓度为40％的酒精溶液)中超声分散后，然后置于转速为7000rpm，线速度为85m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯纳米片有机溶液，所述石墨烯纳米片有机溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；
2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸170μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在800rpm的高效混合机中旋转的铝和/或铝合金粉末；
3)所述石墨烯纳米片有机溶液全部喷洒完成后，保持所述高效混合机继续运行30min；
4)将混合均匀的石墨烯包覆铝合金的粉末从所述高效混合机中取出。
实施例7
石墨烯包覆铝合金粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯05％，铝合金95％。铝合金为按质量百分比的下述组分：Cu，4％；Mg，1.5％；Si，0.5％；Ti，0.15％；Fe，0.5％；Zn，0.25％；Mn，0.60％；Cr，0.10％；余量为Al和不可避免的杂质。铝合金粉末的粒径为50μm。
1)将石墨烯在有机溶剂(浓度为20％的酒精溶液)中超声分散后，然后置于转速为7000rpm，线速度为85m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯纳米片有机溶液，所述石墨烯纳米片有机溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；
2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸200μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在800rpm的高效混合机中旋转的铝和/或铝合金粉末；
3)所述石墨烯纳米片有机溶液全部喷洒完成后，保持所述高效混合机继续运行100min；
4)将混合均匀的石墨烯包覆铝合金的粉末从所述高效混合机中取出。
对比例1
1)将粒度为40μm的铝合金雾化粉体和石墨烯(添加量为石墨烯/铝合金复合材料量的0.1～5.0wt.％)，在转速10～30r/min的混粉机中混合24～48h；
2)将步骤(1)制得的混合粉体放入转速100～200r/min的混合机中混合10～30min；
3)将所制混合粉体、磨球和硬脂酸置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没全部磨球时开始球磨，球料比为40∶1；
4)低温球磨2～4小时后，取出粉末并置于惰性气体保护箱中，待其温度恢复至室温后取出。
从图2～3中可以看出，对比例提供的方法得到的混合粉体中石墨烯未包覆铝合金粉末，而本发明实施例提供的方法得到的混合粉体，石墨烯完整的包覆在铝合金粉末的表面，与基体形成很好的界面结合。
本发明实施例提供的方法及装置，实现了石墨烯在铝合金粉体表面的包覆，有利于在石墨烯金属复合材料中形成高质量的石墨烯金属界面结合；石墨烯不容易发生团聚，无二次团聚和重新凝固分散的现象；无需凝固、无需碾压，避免形成板结或团聚；无需振动和筛分，从而避免了由此带来的石墨烯和铝合金粉末的分布不均；工艺操作简单、制造成本低廉、生产效率高；无需加热也无需烘干，使石墨烯更好的在铝合金粉体表面包覆，即环保安全，又缩短制备周期。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，其特征在于，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Cu，3.8～4.9％；Mg，1.2～1.8％；Si，0.5％；Ti，0.15％；Fe，0.5％；Zn，0.25％；Mn，0.30～0.90％；Cr，0.10％；余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，其特征在于，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Cu，2.0～2.6％；Mg，1.9～2.6％；Si，0.12％；Ti，0.06％；Fe，0.15％；Zn，5.7～6.7％；Mn，0.1％；Cr，0.04％；Zr，0.08～0.15％；余量为Al和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，其特征在于，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Cu 2.5％。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，其特征在于，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Mg 2.0％。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，其特征在于，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Zn 6.0％。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料，其特征在于，所述铝合金包括按质量百分比的下述组分：Zr 0.1％。
7.一种石墨烯/铝合金复合装甲材料的制备方法，其特征在于，该材料制备方法的步骤如下：
1)制备石墨烯层数小于10的纳米片有机溶液：于7000～9000rpm转速、线速度85～115m/s下的离心纳米分散机中，对分散于有机溶液的石墨烯进行处理；
2)石墨烯包覆铝和/或铝合金粉末：用花洒网眼尺寸为60～280μm的喷淋装置将步骤1)的石墨烯纳米片有机溶液雾化喷洒于在混合机中高速旋转的铝和/或铝合金粉末上；
3)于混合机中对包覆后的石墨烯/铝合金粉末混合20～100min，即得石墨烯/铝合金复合装甲材料。
8.根据权利要求7所述的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料的制备方法，其特征在于，所述方法制备的石墨烯包覆的铝合金粉末中，按质量百分数计含：石墨烯0.05％～9％，铝和/或铝合金91％～99.95％；所述铝和/或铝合金粉末的粒径为10～100μm；花洒网眼尺寸为100μm～200μm；所述离心纳米分散机的转速为8000rpm，线速度为100m/s，所述混合机的转速为1000rpm。
9.根据权利要求7所述的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料的制备方法，其特征在于，所述纳米片有机溶液中的有机溶剂为包括乙醇、NPM、聚乙二醇和/或PVP中的一种或多种，所述有机溶剂的浓度为20％～100％。
10.根据权利要求7所述的一种石墨烯/铝合金复合装甲材料的制备方法，其特征在于，所述纳米片有机溶液中的有机溶剂为无水乙醇。
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