CN108677052B - 一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，本发明通过将石墨烯粉末与工业纯铝粉进行机械混合后再烧结成块，使Al和C之间进行扩散，在烧结过程中进行加压，改善了石墨烯与铝基体之间的润湿性；同时使石墨烯均匀地分布于工业纯铝粉中，较好的解决了其团聚问题；再通过控制烧结温度则可以避免Al4C3脆性化合物的形成；本申请对石墨烯颗粒增强铝基复合材料进行了成分强化与工艺强化，成分强化结合工艺强化实现了强强联合，从而较好的解决了目前制备石墨烯颗粒增强铝基复合材料存在的技术难题，通过测试证明该石墨烯颗粒增强铝基复合材料的力学性能及导电性得到了提高。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，尤其是涉及一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，石墨烯比钻石还硬，导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低。在铝中添加石墨粉末可以显著提高其力学性能，添加石墨烯可以显著提高其力学性能和导电性，使其广泛应用于各个领域。
目前石墨烯颗粒增强铝基复合材料的制备存在着三大技术难题：
一是铝中石墨烯的团聚：石墨烯分散性较差，在铝基体中，石墨烯极易产生团聚问题；
二是界面化合物Al4C3的形成：石墨烯颗粒增强铝基复合材料的界面反应难以控制，容易形成Al4C3脆性化合物，破坏复合材料的力学性能等性能；
三是石墨烯与铝基体的润湿性差，不易形成较强的界面结合。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种颗粒增强铝基复合材料。本发明实施例的另外一个目的是提供一种上述颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将石墨烯粉末与工业纯铝粉置于容器中进行机械混合，将机械混合后得到的混合粉末进行烧结得到混合料块；
B)通过熔炼制得工业纯铝液；
C)将步骤A)中得到的混合料块加入到步骤B)中得到的工业纯铝液中，用高纯石墨棒进行搅拌并继续熔炼一段时间；
D)然后将搅拌均匀的且已加入混合料块的铝液放入电阻炉中进行保温一段时间，然后加入除渣剂除渣，继续保温一段时间后加入除气剂，使成分均匀后进行浇铸，完成后制得颗粒增强铝基复合材料。
优选的，所述步骤A)中，石墨烯粉末:工业纯铝粉的体积比为1：9～29。
优选的，所述步骤A)中，将石墨烯粉末、石墨粉以及工业纯铝粉置于容器中进行机械混合，将机械混合后得到的混合粉末进行烧结得到混合料块；
石墨粉：工业纯铝粉的体积比为1：9～29。
优选的，石墨粉和工业纯铝粉的颗粒尺寸均为0.1μm～100μm。
优选的，所述步骤A)中，所述混合料块的烧结的温度为600℃～650℃，升温时间为20～40min，保温时间为20～40min，压强为20Mpa。
优选的，所述步骤B)中，熔炼工业纯铝液是在中频感应炉中进行。
优选的，所述步骤C)中，所述混合料块的质量为工业纯铝液的质量的0.5％～2％。
优选的，所述步骤D)中，铝液在电阻炉中的保温时间为15～30min，保温过程中要进行除渣除气，浇铸时模具要先进行预热。
一种颗粒增强铝基复合材料，利用上述中的任意一项所述的制备方法制备而成。
本申请提供了一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，本发明通过将石墨烯粉末与工业纯铝粉进行机械混合后再烧结成块，使Al和C之间进行扩散，在烧结过程中进行加压，改善了石墨烯粉末与铝基体之间的润湿性；
同时使石墨烯粉末均匀地分布于工业纯铝粉中，较好的解决了其团聚问题；
再通过控制烧结温度则可以避免Al4C3脆性化合物的形成；
本申请对石墨烯颗粒增强铝基复合材料进行了成分强化与工艺强化，成分强化结合工艺强化实现了强强联合，从而较好的解决了目前制备石墨烯颗粒增强铝基复合材料存在的技术难题，通过测试证明该石墨烯粉末颗粒增强铝基复合材料的力学性能及导电性得到了提高。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本申请提供了一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将石墨烯粉末与工业纯铝粉置于容器中进行机械混合，将机械混合后得到的混合粉末进行烧结得到混合料块；
B)通过熔炼制得工业纯铝液；
C)将步骤A)中得到的混合料块加入到步骤B)中得到的工业纯铝液中，用高纯石墨棒进行搅拌并继续熔炼一段时间；
D)然后将搅拌均匀的且已加入混合料块的铝液放入电阻炉中进行保温一段时间，然后加入除渣剂除渣，继续保温一段时间后加入除气剂，使成分均匀后进行浇铸，完成后制得颗粒增强铝基复合材料。
在本申请的一个实施例中，所述步骤A)中，石墨烯粉末:工业纯铝粉的体积比为1：9～29。
在本申请的一个实施例中，所述步骤A)中，将石墨烯粉末、石墨粉以及工业纯铝粉置于容器中进行机械混合，将机械混合后得到的混合粉末进行烧结得到混合料块；
石墨粉：工业纯铝粉的体积比为1：9～29。
在本申请的一个实施例中，石墨粉和工业纯铝粉的颗粒尺寸均为0.1μm～100μm。
在本申请的一个实施例中，所述步骤A)中，所述混合料块的烧结的温度为600℃～650℃，升温时间为20～40min，保温时间为20～40min，压强为20Mpa。
在本申请的一个实施例中，所述步骤B)中，熔炼工业纯铝液是在中频感应炉中进行。
在本申请的一个实施例中，所述步骤C)中，所述混合料块的质量为工业纯铝液的质量的0.5％～2％。
在本申请的一个实施例中，所述步骤D)中，铝液在电阻炉中的保温时间为15～30min，保温过程中要进行除渣除气，浇铸时模具要先进行预热。
本申请还提供了一种颗粒增强铝基复合材料，利用上述中的任意一项所述的制备方法制备而成。
目前制备该类石墨烯颗粒增强铝基复合材料的工艺都十分复杂，成本很高，难以工业化生产。而本发明提供的这种制备方法十分简单，且所需的设备都是常用设备，工艺参数也比较好控制，成本低、能够工业化生产。
本申请中没有详述的原料、装置以及方法均为现有技术，不再赘述。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种颗粒增强铝基复合材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将石墨烯粉末与工业纯铝粉置于容器中进行机械混合，将机械混合后得到的混合粉末进行烧结得到混合料块；
所述步骤A)中，石墨烯粉末:工业纯铝粉的体积比为1：29；
工业纯铝粉的颗粒尺寸为0.1μm～100μm；
所述步骤A)中，所述混合料块的烧结在抽真空完成后充入氩气的环境下完成，烧结温度为620℃，升温时间为40min，保温时间为30min，压强为20Mpa；
B)通过熔炼制得工业纯铝液，熔炼时间为15min；
C)将步骤A)中得到的混合料块加入到步骤B)中得到的工业纯铝液中，用高纯石墨棒进行搅拌并继续熔炼5min；
所述步骤C)中，所述混合料块的质量为工业纯铝液的质量的1％；
D)然后将搅拌均匀的且已加入混合料块的铝液放入电阻炉中进行保温，保温10min后，取出加入1％的除渣剂除渣，继续保温5min后取出加入除气剂，再保温5min使成分均匀后进行浇铸，完成后制得石墨烯颗粒增强铝基复合材料。
然后将本实施例1制备的颗粒增强铝基复合材料的铸件加工成特定的尺寸：抗拉试棒直径为7mm，有效长度为50mm；测导电率试棒的直径为16mm，长度为15cm，以便于测试。
将抗拉试棒用拉伸机进行实验，测抗拉强度和延伸率，实验中拉伸速度为2mm/min，将测试导电率试棒用电阻率测定仪测定其电阻率。
测试结果：工业纯铝空白样的抗拉强度为55MPa，延伸率为47.17％，电导率为55.31％IACS。
本实施例1制得的颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度为68MPa，延伸率为55.19％，导电率为59.24％IACS。
经对比，相对于工业纯铝空白样，本实施例1制得的颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度提高了23.6％，延伸率提高了17％，导电率提高了7.1％。
实施例2
一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将石墨粉与工业纯铝粉置于容器中进行机械混合，将机械混合后得到的混合粉末进行烧结得到混合料块；
所述步骤A)中，石墨粉:工业纯铝粉的体积比为1：9；
石墨粉与工业纯铝粉的颗粒尺寸均为0.1μm～100μm；
所述步骤A)中，所述混合料块的烧结在抽真空完成后充入氩气的环境下完成，烧结温度为620℃，升温时间为40min，保温时间为30min，压强为20Mpa；
B)通过熔炼制得工业纯铝液，熔炼时间为15min；
C)将步骤A)中得到的混合料块加入到步骤B)中得到的工业纯铝液中，用高纯石墨棒进行搅拌并继续熔炼5min；
所述步骤C)中，所述混合料块的质量为工业纯铝液的质量的1％；
D)然后将搅拌均匀的且已加入混合料块的铝液放入电阻炉中进行保温，保温10min后，取出加入1％的除渣剂除渣，继续保温5min后取出加入除气剂，再保温5min使成分均匀后进行浇铸，完成后制得石墨粉颗粒增强铝基复合材料。
然后将本实施例2制备的颗粒增强铝基复合材料的铸件加工成特定的尺寸：抗拉试棒直径为7mm，有效长度为50mm；测导电率试棒的直径为16mm，长度为15cm，以便于测试。
经对比，相对于工业纯铝空白样，本实施例2制得的石墨粉颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度提高了23.6％，延伸率与导电率基本不变。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (5)
1.一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将石墨烯粉末、石墨粉以及工业纯铝粉置于容器中进行机械混合，将机械混合后得到的混合粉末进行烧结得到混合料块；
B)通过熔炼制得工业纯铝液；
C)将步骤A)中得到的混合料块加入到步骤B)中得到的工业纯铝液中，用高纯石墨棒进行搅拌并继续熔炼一段时间；
D)然后将搅拌均匀的且已加入混合料块的铝液放入电阻炉中进行保温一段时间，然后加入除渣剂除渣，继续保温一段时间后加入除气剂，使成分均匀后进行浇铸，完成后制得颗粒增强铝基复合材料；
所述步骤A)中，石墨烯粉末:工业纯铝粉的体积比为1：9～29；
所述步骤A)中，石墨粉：工业纯铝粉的体积比为1：9～29；
石墨粉和工业纯铝粉的颗粒尺寸均为0.1μm～100μm；
所述步骤A)中，所述混合料块的烧结的温度为600℃～650℃，升温时间为20～40min，保温时间为20～40min，压强为20Mpa。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)中，熔炼工业纯铝液是在中频感应炉中进行。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C)中，所述混合料块的质量为工业纯铝液的质量的0.5％～2％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤D)中，铝液在电阻炉中的保温时间为15～30min，保温过程中要进行除渣除气，浇铸时模具要先进行预热。
5.一种颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，利用权利要求1～4中的任意一项所述的制备方法制备而成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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