CN108998708B - 石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料及其制备方法。该石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料包括：镁10‑20份；钇1‑2份；铬5‑10份；钆1‑2份；锆6‑16份；铝70‑80份；纳米碳化硅15‑30份；石墨烯5‑20份。该复合材料采用石墨烯增强铝镁合金碳化硅，能够起到细化晶粒的作用，改善晶格铝镁合金晶格缺陷，石墨烯材料填充于碳化硅材料与铝镁合金材料的晶格间隙之中，极大地增强了整个复合材料的晶粒密度，提高了材料的强度、硬度、塑性等综合性能，极大地扩大了材料的应用范围。

Description

石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料及其制备方法。
背景技术
铝镁合金铝板主要元素是铝，再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。以Mg为主要添加元素的铝合金，由于它抗蚀性好，又称防锈铝合金。因本身就是金属，其导热性能和强度尤为突出。
具有比强度高、密度小、耐腐蚀、可回收、导热性好、防电磁辐射、可薄壁成型的诸多优点。
应用广泛，能够应用于方向盘、车门、发动机缸体上、3C产品的覆盖件上。
但是现有的铝镁合金材料抗拉强度较低，综合性能有待提高，限制了其应用范围。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料，该材料抗拉强度高，性能好。
本发明的第二目的在于提供一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料的制备方法，该方法操作简单，可行性高，制备得到的墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料抗拉强度高，性能好。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料，石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料的原料以重量份计包括：镁10-20份；钇1-2份；铬5-10份；钆1-2份；锆6-16份；铝70-80份；纳米碳化硅15-30份；石墨烯5-20份。
一种铝镁合金碳化硅复合材料的制备方法，以重量份计，将10-20份镁、1-2份钇、5-10份铬、1-2份钆、6-16份锆、70-80份铝、15-30份纳米碳化硅、5-20份石墨烯混合后，在750-850摄氏度超声分散后，冷却成型。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料。该石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料的原料以重量份计包括：镁10-20份；钇1-2份；铬5-10份；钆1-2份；锆6-16份；铝70-80份；纳米碳化硅15-30份；石墨烯5-20份。该复合材料采用石墨烯增强铝镁合金碳化硅，能够起到细化晶粒的作用，改善晶格铝镁合金晶格缺陷，石墨烯材料填充于碳化硅材料与铝镁合金材料的晶格间隙之中，极大地增强了整个复合材料的晶粒密度，提高了材料的强度、硬度、塑性等综合性能，极大地扩大了材料的应用范围。
本发明提供的一种铝镁合金碳化硅复合材料的制备方法，以重量份计，将10-20份镁、1-2份钇、5-10份铬、1-2份钆、6-16份锆、70-80份铝、15-30份纳米碳化硅、5-20份石墨烯混合后，在750-850摄氏度超声分散后，冷却成型。该方法，操作简单，相对于现有技术，能够更好地实现纳米颗粒的分散，进而有效地增强材料的晶粒强度。该方法可行性高，适用性广。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面对本发明实施例的石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供的一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料，该石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料的原料以重量份计：
镁10-20份；钇1-2份；铬5-10份；钆1-2份；锆6-16份；铝70-80份；纳米碳化硅15-30份；石墨烯5-20份。
铝镁合金，硬度高于普通铝合金材料，因此耐磨性将。铝镁合金的抗蚀性好，又称防锈铝合金。
碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。碳化硅又称碳硅石。碳化硅又称为金钢砂或耐火砂。碳化硅为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。
石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键。碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似)，因而具有优良的导电和光学性能。
通过采用石墨烯增强铝镁合金碳化硅，能够起到细化晶粒的作用，改善晶格铝镁合金晶格缺陷，石墨烯材料填充于碳化硅材料与铝镁合金材料的晶格间隙之中，极大地增强了整个复合材料的晶粒密度，提高了材料的强度、硬度、塑性等综合性能，极大地扩大了材料的应用范围。
进一步可选地，该石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料的原料以重量份计：镁12-18份；钇1.2-1.8份；铬5.5-8.5份；钆1.3-1.9份；锆8-15份；铝72-78份；纳米碳化硅19-22份；石墨烯6-15份。
进一步地，纳米碳化硅为粉状。纳米碳化硅的平均直径100-300纳米。
进一步地，铝镁合金为粉状，铝镁合金的粒径100-150纳米。
本发明的一些实施方式还提供一种铝镁合金碳化硅复合材料的制备方法。
以重量份计，将10-20份镁、1-2份钇、5-10份铬、1-2份钆、6-16份锆、70-80份铝、15-30份纳米碳化硅、5-20份石墨烯混合后，在750-850摄氏度超声分散后，冷却成型。
需要说明的是，在一些实施例中，冷却成型后还可以进行退火热处理。
进一步地，将各个原料混合，是将铝镁合金粉末与碳化硅粉末混合后，再将石墨烯加入。
进一步地，加入石墨烯是将石墨烯配置成石墨烯分散液后，将石墨烯分散液喷射至高速旋转的铝镁合金粉末与碳化硅粉末的混合物中。
进一步地，石墨烯分散液是将是石墨烯分散在有机溶剂中；有机溶剂选自醇类、甲基吡咯烷酮或者二甲基甲酰胺中的任意一种。
二甲基甲酰胺(DMF)是一种透明液体，能和水及大部分有机溶剂互溶。它是化学反应的常用溶剂。纯二甲基甲酰胺是没有气味的。名称来源是由于它是甲酰胺(甲酸的酰胺)的二甲基取代物，而两个甲基都位于N(氮)原子上。二甲基甲酰胺是高沸点的极性(亲水性)非质子性溶剂，能促进SN2反应机理的进行。二甲基甲酰胺是利用甲酸甲酯和二甲基胺制造的。二甲基甲酰胺在强碱如氢氧化钠或强酸如盐酸或硫酸的存在下是不稳定的(尤其在高温下)，并水解为甲酸与二甲基胺。二甲基甲酰胺能够有效地分散石墨烯。
甲基吡咯烷酮是无色透明油状液体，微有胺的气味。有吸湿性，在中性介质中稳定，在强碱/酸中容易分解。能与水、醇、醚、酯、酮、卤代烃、芳烃互溶。采用甲基吡咯烷酮能够有效地分散石墨烯。
进一步地，在本实施例中，上述的醇类可以选择乙醇或者异丙醇。乙醇或者异丙醇也能够有效地分散石墨烯。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：
实施例1
本实施例提供的一种铝镁合金碳化硅复合材料。
以重量份计，该铝镁合金碳化硅复合材料包括镁10份；钇1份；铬5份；钆1份；锆6份；铝70份；纳米碳化硅15份；石墨烯5份。纳米碳化硅的平均直径100纳米。纳米碳化硅为粉状。铝镁合金为粉状。铝镁合金的粒径100纳米。
该铝镁合金碳化硅复合材料是这样制备的：
称量上述的各个原料。将石墨烯分散在乙醇溶液中。将碳化硅和铝镁合金超声混合分散，并高速旋转，此时将石墨烯分散液喷射进去，在750摄氏度继续超声分散至均匀后，冷取至室温后加工成型后退火热处理。
实施例2
本实施例提供的一种铝镁合金碳化硅复合材料。
以重量份计，该铝镁合金碳化硅复合材料包括镁20份；钇2份；铬10份；钆2份；锆16份；铝80份；纳米碳化硅30份；石墨烯20份。纳米碳化硅的平均直径300纳米。纳米碳化硅为粉状。铝镁合金为粉状。铝镁合金的粒径150纳米。
该铝镁合金碳化硅复合材料是这样制备的：
称量上述的各个原料。将石墨烯分散在异丙醇溶液中。将碳化硅和铝镁合金超声混合分散，并高速旋转，此时将石墨烯分散液喷射进去，在850摄氏度声分散至均匀后，冷取至室温后加工成型后退火热处理。
实施例3
本实施例提供的一种铝镁合金碳化硅复合材料。
以重量份计，该铝镁合金碳化硅复合材料包括镁15份；钇1.5份；铬8份；钆1.5份；锆10份；铝75份；纳米碳化硅20份；石墨烯15份。纳米碳化硅的平均直径200纳米。纳米碳化硅为粉状。铝镁合金为粉状。铝镁合金的粒径120纳米。
该铝镁合金碳化硅复合材料是这样制备的：
称量上述的各个原料。将石墨烯分散在甲基吡咯烷酮溶液中。将碳化硅和铝镁合金超声混合分散，并高速旋转，此时将石墨烯分散液喷射进去，在800摄氏度声分散至均匀后，冷取至室温后加工成型后退火热处理。
实施例4
本实施例提供的一种铝镁合金碳化硅复合材料。
以重量份计，该铝镁合金碳化硅复合材料包括镁12份；钇1.2份；铬5.5份；钆1.3份；锆8份；铝72份；纳米碳化硅19份；石墨烯6份。纳米碳化硅的平均直径150纳米。纳米碳化硅为粉状。铝镁合金为粉状。铝镁合金的粒径130纳米。
该铝镁合金碳化硅复合材料是这样制备的：
称量上述的各个原料。将石墨烯分散在二甲基甲酰胺溶液中。将碳化硅和铝镁合金超声混合分散，并高速旋转，此时将石墨烯分散液喷射进去，在820摄氏度声分散至均匀后，冷取至室温后加工成型后退火热处理。
实施例5
本实施例提供的一种铝镁合金碳化硅复合材料。
以重量份计，该铝镁合金碳化硅复合材料包括镁18份；钇1.8份；铬8.5份；钆1.9份；锆15份；铝78份；纳米碳化硅22份；石墨烯15份。纳米碳化硅的平均直径250纳米。纳米碳化硅为粉状。铝镁合金为粉状。铝镁合金的粒径140纳米。
该铝镁合金碳化硅复合材料是这样制备的：
称量上述的各个原料。将石墨烯分散在乙醇溶液中。将碳化硅和铝镁合金超声混合分散，并高速旋转，此时将石墨烯分散液喷射进去，在830摄氏度声分散至均匀后，冷取至室温后加工成型后退火热处理。
对比例1：防锈铝5A50
对比例2：3A21铝合金
对比例3：硬铝2A11
对比例4：2A12
对比例5：2A13
下面对实施例1-5制备得到的铝镁合金碳化硅复合材料以及对比例1-5提供铝镁合金材料的性能进行考察。
实验例：
1、拉伸试验
对实施例1-5提供的铝镁合金碳化硅复合材料以及对比例1-5提供的材料进行室温拉伸试验，得到各个材料的抗拉强度。结果见表1：
表1各个材料的抗拉强度(MPa)
Figure BDA0001780733950000101
从表1可以看出，本实施例1-5提供的铝镁合金碳化硅复合材料的抗拉强度明显远远高于对比例1-5提供的现有技术中常见的铝合金材料的抗拉强度，说明本实施例提供的铝镁合金碳化硅复合材料的抗拉强度得到提高。
2、结构分析
对实施例1-5提供的铝镁合金碳化硅复合材料采用投射电镜分析复合材料的晶粒直径，结果见表2：
表2各个材料的晶粒直径
Figure BDA0001780733950000111
由上表可以看出，本实施例提供的铝镁合金碳化硅复合材料的晶粒得到明显的细化，这也进一步地表明了本实施例提供的铝镁合金碳化硅复合材料的综合性能得到提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料，其特征在于，所述石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料的原料以重量份计，包括：
镁18份；钇1.8份；铬8.5份；钆1.9份；锆15份；铝78份；纳米碳化硅22份；石墨烯15份；纳米碳化硅的平均直径250纳米；纳米碳化硅为粉状；铝镁合金为粉状；铝镁合金的粒径140纳米。
2.一种石墨烯增强铝镁合金碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，以重量份计，称量各个原料：镁18份；钇1.8份；铬8.5份；钆1.9份；锆15份；铝78份；纳米碳化硅22份；石墨烯15份；纳米碳化硅的平均直径250纳米；纳米碳化硅为粉状；铝镁合金为粉状；铝镁合金的粒径140纳米；将石墨烯分散在乙醇溶液中，将碳化硅和铝镁合金超声混合分散，并高速旋转，此时将石墨烯分散液喷射进去，在830摄氏度超声分散至均匀后，冷取至室温后加工成型后退火热处理。
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