CN107199335A - 一种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石墨烯增强铝基复合材料的母料制备领域，提供了种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法。该方法的主要步骤为：首先将石墨烯与硅酮进行捏炼至完全混合均匀，然后加入铝粉搅拌混炼，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料，最后进行固化和研磨，得到分散性良好和界面结合强度高的石墨烯母料。该母料与铝粉具有良好的分散性，工艺简单且能耗低，使得石墨烯与铝形成的高质量界面性，不但增强铝合金，而且在大幅降低铝合金制品的厚度的同时保证其高强度，是推动铝合金进一步轻质化改性的关键材料。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯增强复合材料的母料制备领域，尤其是涉及一种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法。
背景技术
石墨烯纳米片是由sp2杂化碳原子组成的单原子层厚度的二维材料，其展现出一系列不同寻常的物理性能。2004年Novoselov等利用胶带剥离法制备出石墨烯纳米片样品，并对其微观组织结构和物理学性能进行了表征。石墨烯纳米片因其特殊的二维结构，引起了物理、化学和材料学界研究学者的极大兴趣，有关石墨烯的基础研究和工程应用研究成为近几年的研究热点。
石墨烯是迄今为止实验上发现的最坚韧、导电和导热最好的材料。为尽快使石墨烯达到工程应用状态，欧盟在2012年启动石墨烯旗舰技术项目，美国也大力投入，并且在石墨烯作为超强电容器等应用研究已取得了突破性进展。湿化学还原法容易实现石墨烯纳米片的大批量制备，并且获得的石墨烯具有较好的亲水性和单分散性，是理想的复合材料纳米填料。
由于石墨烯具有高的强度，其抗拉强度可达1060GPa，如何利用其来提高复合材料的强度成为研究热点。目前已有关于石墨烯纳米片增强高分子聚合物和陶瓷材料的报道。聚乙烯醇中填加0.7 %质量分数的石墨烯纳米片，其抗拉强度提高76%；Al2O3陶瓷基体中填加0.78%体积分数的石墨烯纳米片时，其弯曲强度提高30.75%，同时断裂强度提高27.20%。
铝合金具有低的密度、高的强度和良好的延展性，在航空、航天等领域得到广泛应用。作为结构材料，如何提高铝合金强度一直是其研究者的主攻方向。目前来看，利用改变合金熔炼方式、调控成分、调整热处理和变形工艺等方法在进一步提高铝合金性能难有突破，铝基复合材料应运而生。铝基复合材料具有密度小，耐蚀性强，导电导热性能优异，加工性能好等优点成为当前金属基复合材料研究的主流。随着汽车和航空航天领域的发展，尤其是在太空空间，电离辐射等恶劣环境中对金属基复合材料的比强度，比模量，耐蚀性，导电导热等性能要求更高，传统的陶瓷纤维和颗粒增强体已经不能满足对材料的要求，相比于陶瓷纤维增强体碳纤维和石墨颗粒增强体高的导热性，低的热膨胀系数，优异的阻尼能力和非常好的自润滑性能引起了许多研究者的关注。在铝合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳纳米管制备铝基复合材料来提高合金强度成为学者们研究方向。但增强效果不尽人意，且材料的塑性大幅降低。石墨烯纳米片具有高的强度，大的比表面积和较好的延伸率，将其添加到铝合金中形成铝基复合材料，是解决提高铝合金强度难题的不错选择。在最近几年因为石墨烯优异的机械性能和物理性能被认为是最理想的金属基复合材料增强体，相比于碳纳米管，石墨烯的二维结构使石墨烯更容易控制和分散在铝基体中，为进一步提高铝基复合材料的性能提供了新的途径。
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。因为石墨烯较大的比表面积，其在铝基体中很容易发生团聚现象，而传统的球磨分散方法并不能保证将石墨烯均匀的分散在铝基体中，同时在球磨过程中会形成加工硬化减弱石墨烯的增强效果，常规粉末冶金工艺采用的机械球磨只是将增强相和基体相的粉末均匀地混合在一起，粉体间很难在球磨过程中就形成界面结合，而且通过熔化结合使得能耗增加因此，石墨烯在铝基体中的均匀分散如何实现，以及石墨烯/ 铝的高质量界面结合如何获得，是制备石墨烯/ 铝复合材料需要突破的关键技术。
发明内容
针对以上情况，提出一种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法，主要技术要点在于利用硅酮的粘接固化特性，将石墨烯通过捏炼分散于硅酮中，然后与铝粉混炼均匀形成膏状复合材料，进一步固化研磨得到一种用于增强铝合金的石墨烯母料。该母料与铝粉具有良好的分散性，使得石墨烯与铝形成的高质量界面性，不但增强铝合金，而且在大幅降低铝合金制品的厚度的同时仍然保持高强度，使铝合金进一步轻质化改性的关键材料。
本发明一种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法，可以解决石墨烯在铝基材料中难以均匀分散的难题，同时简化工艺过程和降低能耗，提高石墨烯与铝的界面结合的质量，推动铝合金材料的轻质化和强度改进历程。
本发明具体涉及的技术方案如下：
一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于通利用硅酮的粘接固化特性，将石墨烯通过捏炼分散于硅酮中，然后与铝粉混炼均匀形成膏状复合材料，进一步固化研磨得到一种用于增强铝合金的石墨烯母料，具体步骤如下：
（1）石墨烯与硅酮的捏炼：将石墨烯、硅酮、防老剂、硬脂酸、软化剂及偶联剂按重量份数：石墨烯10~20份、硅酮75~85份、防老剂0.5~1份、硬脂酸1~3份、软化剂1~2份、偶联剂0.3~0.5份，加入到捏炼机中，设置主电机功率、转速、电压、加压空气压力参数，所述捏炼及混炼过程均应在无水且氮气保护的条件下进行；捏炼机的主电机功率设置为75~80KW；捏炼过程的转速设置为950~1000r/min；捏炼过程的加压空气压力设置为0.6~0.8MPa；捏炼至物料完全混合均匀，石墨烯与硅酮完成良好的界面结合；
（2）将铝粉加入溶液的质量分数为0.5~1%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，室温下搅拌1~1.5h，洗涤并干燥后，与步骤（1）得到的捏炼混合料按一定比例进行混炼，经15~20min；后，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料；
（3）向步骤（2）得到的膏状复合材料中一边加入固化剂，一边搅拌，固化过程的搅拌速度为220~250r/min，使其混合均匀，逐渐降低搅拌速率，直至停止，膏状复合材料也逐渐固化，然后将其转移至研磨机中进行研磨，得到分散性良好，界面结合强度高的石墨烯母料。
优选的，步骤（1）所述石墨烯的固定碳含量应不低于99.5%。
优选的，步骤（1）所述防老剂为N-(1，3-二甲基)丁基-N-苯基对苯二胺或N-异丙基-N-苯基对苯二胺。
优选的，步骤（1）所述软化剂为非极性软化剂，如凡士林、松焦油或松香。
优选的，步骤（1）所述偶联剂为硅烷类偶联剂，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷、3-（2，3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷或γ -巯丙基三甲氧基硅烷。
优选的，步骤（2）所述铝粉的粒度应为1~2μm，纯度不低于99.93%。
优选的，步骤（2）所述铝粉的使用量为捏炼混合料质量的2~3倍。
优选的，步骤（3）所述固化剂为胺类固化剂，如乙烯基三胺、二氨基环己烷、二乙烯三胺或三甲基六亚甲基二胺；
优选的，步骤（3）所述固化剂的使用量为硅酮质量的2~3%。
一种用于增强铝合金的石墨烯母料，其特征是由上述所述方法制备得到的石墨烯母料。该母料与铝粉具有良好的分散性，和界面结合性，用于增强铝合金，石墨烯与铝形成的高质量界面性将大幅提升铝合金的强度。
一种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明通过捏炼和固化将石墨烯分散与硅酮中，从而形成高质量界面，形成了易于分散于铝粉的石墨烯母料，对铝基复合材料增强改性领域有着极大的推动作用。
2、本发明母料可有效提高铝基材料的强度，同时大幅度降低铝合金制品的厚度，是铝合金进一步轻质化改进的关键材料。
3、本发明的工艺过程简单，成本和能耗低，适宜于推动规模化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种用于增强铝合金的石墨烯母料及制备方法，其制备石墨烯母料的具体过程如下：
将10kg石墨烯、85kg硅酮、0.5kg N-(1，3-二甲基)丁基-N-苯基对苯二胺、2kg硬脂酸、2kg凡士林及0.5kg γ -氨丙基三乙氧基硅烷，加入到捏炼机中，设置主电机功率为75KW，转速为1000/min，电压为380KV，加压空气压力为0.6MPa，在无水及氮气保护氛围下捏炼至物料完全混合均匀；然后将200kg纯度为99.5%的铝粉加入质量浓度为0.5%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，室温下搅拌处理1.5h，洗涤并干燥后，在无水及氮气保护氛围下，与上述混合物一同进行混炼，经15min后，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料；然后向膏状复合材料中一边加入乙烯基三胺，一边搅拌，使其混合均匀。乙烯基三胺的加入量为1.7kg，搅拌速度由220r/min逐渐降低，直至停止，膏状复合材料也随之逐渐固化。然后将其转移至研磨机中进行研磨，得到分散性良好，界面结合强度高的石墨烯母料。
实施例2
将15kg石墨烯、80kg硅酮、0.8kg N-(1，3-二甲基)丁基-N-苯基对苯二胺、2kg硬脂酸、1.8kg松焦油及0.4kg γ -氨丙基三乙氧基硅烷，加入到捏炼机中，设置主电机功率为80KW，转速为970r/min，电压为380KV，加压空气压力为0.7MPa，在无水及氮气保护氛围下捏炼至物料完全混合均匀；然后将220kg纯度为99.5%的铝粉加入质量浓度为0.8%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，室温下搅拌处理1.2h，洗涤并干燥后，在无水及氮气保护氛围下，与上述混合物一同进行混炼，经18min后，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料；然后向膏状复合材料中一边加入乙烯基三胺，一边搅拌，使其混合均匀。乙烯基三胺的加入量为1.6kg，搅拌速度由240r/min逐渐降低，直至停止，膏状复合材料也随之逐渐固化。然后将其转移至研磨机中进行研磨，得到分散性良好，界面结合强度高的石墨烯母料。
实施例3
将20kg石墨烯、75kg硅酮、1kg N-(1，3-二甲基)丁基-N-苯基对苯二胺、2.5kg硬脂酸、1.2kg松香及0.3kg 3-（2，3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，加入到捏炼机中，设置主电机功率为78KW，转速为950r/min，电压为380KV，加压空气压力为0.8MPa，在无水及氮气保护氛围下捏炼至物料完全混合均匀；然后将250kg纯度为99.5%的铝粉加入质量浓度为1%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，室温下搅拌处理1.5h，洗涤并干燥后，在无水及氮气保护氛围下，与上述混合物一同进行混炼，经20min后，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料；然后向膏状复合材料中一边加入二氨基环己烷，一边搅拌，使其混合均匀。二氨基环己烷的加入量为1.5kg，搅拌速度由230r/min逐渐降低，直至停止，膏状复合材料也随之逐渐固化。然后将其转移至研磨机中进行研磨，得到分散性良好，界面结合强度高的石墨烯母料。
实施例4
将10kg石墨烯、85kg硅酮、0.5kg N-异丙基-N-苯基对苯二胺、2kg硬脂酸、2kg凡士林及0.5kg 3-（2，3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，加入到捏炼机中，设置主电机功率为75KW，转速为980r/min，电压为380KV，加压空气压力为0.6MPa，在无水及氮气保护氛围下捏炼至物料完全混合均匀；然后将260kg纯度为99.5%的铝粉加入质量浓度为0.5%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，室温下搅拌处理1h，洗涤并干燥后，在无水及氮气保护氛围下，与上述混合物一同进行混炼，经15min后，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料；然后向膏状复合材料中一边加入二氨基环己烷，一边搅拌，使其混合均匀。二氨基环己烷的加入量为1.7kg，搅拌速度由240r/min逐渐降低，直至停止，膏状复合材料也随之逐渐固化。然后将其转移至研磨机中进行研磨，得到分散性良好，界面结合强度高的石墨烯母料。
实施例5
将15kg石墨烯、80kg硅酮、0.8kg N-异丙基-N-苯基对苯二胺、2kg硬脂酸、1.8kg松焦油及0.4kg γ -巯丙基三甲氧基硅烷，加入到捏炼机中，设置主电机功率为80KW，转速为1000r/min，电压为380KV，加压空气压力为0.7MPa，在无水及氮气保护氛围下捏炼至物料完全混合均匀；然后将280kg纯度为99.5%的铝粉加入质量浓度为0.8%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，室温下搅拌处理1.2h，洗涤并干燥后，在无水及氮气保护氛围下，与上述混合物一同进行混炼，经18min后，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料；然后向膏状复合材料中一边加入二乙烯三胺，一边搅拌，使其混合均匀。二乙烯三胺的加入量为1.6kg，搅拌速度由250r/min逐渐降低，直至停止，膏状复合材料也随之逐渐固化。然后将其转移至研磨机中进行研磨，得到分散性良好，界面结合强度高的石墨烯母料。
实施例6
将20kg石墨烯、75kg硅酮、1kg N-异丙基-N-苯基对苯二胺、2.5kg硬脂酸、1.2kg松香及0.3kg γ -巯丙基三甲氧基硅烷，加入到捏炼机中，设置主电机功率为78KW，转速为980r/min，电压为380KV，加压空气压力为0.8MPa，在无水及氮气保护氛围下捏炼至物料完全混合均匀；然后将300kg纯度为99.5%的铝粉加入质量浓度为1%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，室温下搅拌处理1.5h，洗涤并干燥后，在无水及氮气保护氛围下，与上述混合物一同进行混炼，经20min后，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料；然后向膏状复合材料中一边加入三甲基六亚甲基二胺，一边搅拌，使其混合均匀。三甲基六亚甲基二胺的加入量为1.5kg，搅拌速度由230r/min逐渐降低，直至停止，膏状复合材料也随之逐渐固化。然后将其转移至研磨机中进行研磨，得到分散性良好，界面结合强度高的石墨烯母料。
将上述实施例1-6得到的石墨烯母料以10%的质量比例与铝合金粉末复合，通过分散搅拌、压实成型、热拉拔、定型，得到增强的铝合金材料。相较于未加入本发明石墨烯母料的铝合金材料，材料强度大幅提升，其强度如下表1所示：
表1：
| 实施案例 | 抗拉伸强度（MPa） | 屈服强度（MPa） | 维氏硬度（HV） |
| 未加石墨烯母料的铝合金材料 | 153 | 120 | 52 |
| 实施例1 | 220 | 178 | 70 |
| 实施例2 | 245 | 152 | 71 |
| 实施例3 | 236 | 177 | 76 |
| 实施例4 | 227 | 165 | 72 |
| 实施例5 | 241 | 170 | 70 |
| 实施例6 | 231 | 171 | 72 |
Claims (10)
1.一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于通利用硅酮的粘接固化特性，将石墨烯通过捏炼分散于硅酮中，然后与铝粉混炼均匀形成膏状复合材料，进一步固化研磨得到一种用于增强铝合金的石墨烯母料，具体步骤如下：
（1）石墨烯与硅酮的捏炼：将石墨烯、硅酮、防老剂、硬脂酸、软化剂及偶联剂按重量份数：石墨烯10~20份、硅酮75~85份、防老剂0.5~1份、硬脂酸1~3份、软化剂1~2份、偶联剂0.3~0.5份，加入到捏炼机中，设置主电机功率、转速、电压、加压空气压力参数，所述捏炼及混炼过程均应在无水且氮气保护的条件下进行；捏炼机的主电机功率设置为75~80KW；捏炼过程的转速设置为950~1000r/min；捏炼过程的加压空气压力设置为0.6~0.8MPa；捏炼至物料完全混合均匀，石墨烯与硅酮完成良好的界面结合；
（2）将铝粉加入溶液的质量分数为0.5~1%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，室温下搅拌1~1.5h，洗涤并干燥后，与步骤（1）得到的捏炼混合料按一定比例进行混炼，经15~20min；后，得到石墨烯均匀分散的膏状复合材料；
（3）向步骤（2）得到的膏状复合材料中一边加入固化剂，一边搅拌，固化过程的搅拌速度为220~250r/min，使其混合均匀，逐渐降低搅拌速率，直至停止，膏状复合材料也逐渐固化，然后将其转移至研磨机中进行研磨，得到分散性良好，界面结合强度高的石墨烯母料。
2.根据权利要求1所述一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述石墨烯的固定碳含量应不低于99.5%。
3.根据权利要求1所述一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述防老剂为N-(1，3-二甲基)丁基-N-苯基对苯二胺或N-异丙基-N-苯基对苯二胺。
4.根据权利要求1所述一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述软化剂为凡士林、松焦油或松香。
5. 根据权利要求1所述一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述偶联剂为γ -氨丙基三乙氧基硅烷、3-（2，3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷或γ -巯丙基三甲氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述铝粉的粒度应为1~2μm，纯度不低于99.93%。
7.根据权利要求1所述一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述铝粉的使用量为捏炼混合料质量的2~3倍。
8.根据权利要求1所述一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述固化剂为乙烯基三胺、二氨基环己烷、二乙烯三胺或三甲基六亚甲基二胺。
9.根据权利要求1所述一种用于增强铝合金的石墨烯母料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述固化剂的使用量为硅酮质量的2~3%。
10.一种用于增强铝合金的石墨烯母料，其特征是：所述石墨烯木料是由权利要求1-9任一项所述方法制备得到的用于增强铝合金的石墨烯母料。
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