CN109022907A - 一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN109022907A
CN109022907A CN201810801698.5A CN201810801698A CN109022907A CN 109022907 A CN109022907 A CN 109022907A CN 201810801698 A CN201810801698 A CN 201810801698A CN 109022907 A CN109022907 A CN 109022907A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
titanium
composite material
dimensional network
pva
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810801698.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109022907B (zh
Inventor
张法明
王娟
刘腾飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201810801698.5A priority Critical patent/CN109022907B/zh
Publication of CN109022907A publication Critical patent/CN109022907A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109022907B publication Critical patent/CN109022907B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0084—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ carbon or graphite as the main non-metallic constituent

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用，该复合材料主要是由钛或钛合金作为钛基体，石墨烯作为增强相，在复合材料的微观结构中，石墨烯均匀分布在钛基体颗粒周围形成三维网络状结构，即类似于钛基体颗粒填充于石墨烯三维网络状结构的网格中并且完全致密，所形成的石墨烯增强钛基复合材料。本发明采用交联反应的方法使石墨烯在钛基体颗粒表面良好包覆，克服了常规的球磨方法容易引入杂质与难以实现石墨烯均匀包覆的难题，经烧结成型得到三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料块体。本发明的复合材料具有高强度和高塑形，具有优异的综合力学性能，可以应用于航空航天、船舶舰艇等等国防军工领域。

Description

一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明涉及一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用，属于金属基复合材料技术领域。
背景技术
钛与钛合金具有高强度、低密度、耐热、耐蚀和成形加工性良好的特性。钛合金是飞机与航天器的主要结构材料，是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料，也已经被应用于战术导弹、卫星、运载火箭等航天领域。随着航空航天事业进一步发展，对钛合金材料综合性能提出了更高的要求。同时钛与钛合金也具有耐磨性差、硬度低、强度也有待于进一步提高等主要问题。急需新的思路和方法来进一步提高钛合金的强度、弹性模量、服役温度、耐磨性，并保持较好的塑性、可加工，获得优异的综合性能，满足航空航天材料的要求。
石墨烯纳米材料是继碳纳米管之后的非常有发展潜力的新材料，它具有和碳纳米管相近的力学性能，但是它呈二维片状形貌比碳纳米管更加容易分散，而且电学性能优于碳纳米管，也具有极高的热传导率。目前石墨烯增强钛基复合材料的报道中只有少数的研究者用氧化石墨烯(Composites Part B 93(2016)352-359)，多数采用还原后的石墨烯(Materials Science&Engineering A 705(2017)153-159；(2017)164–174；Journal ofAlloys and Compounds 696(2017)498-502)。氧化石墨烯，容易增加钛的含氧量，使钛的品质下降，不是优选的选择。制备工艺都是粉末冶金工艺，采用超声波震荡-球磨制备复合粉末-烧结成型。而且论文报道的石墨烯增强相的分布方式，都是均匀分散的弥散强化的方式。宋嘉明等的专利“一种石墨烯增强钛基复合材料的制备方法”(CN201611174423.0)中，石墨烯的分布方式是均匀分散，而且采用球磨工艺进行分散，容易引入铁等杂质。赵乃勤等的专利“一种原位生长石墨烯增强金属基复合材料的制备方法”(CN106521204A)中，石墨烯的添加方式是原位生长，但是分布方式也是均匀分散。弭光宝等的专利“一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法”(CN107598175A)与“一种石墨烯增强钛基纳米复合材料及制备方法”(CN107557612A)中采用的是氧化石墨烯为原料，球磨工艺进行分散，也是均匀分散。武岳等的专利“石墨烯/钛合金复合装甲材料的制备方法及其混合装置”(CN106566949A)中也是强调的石墨烯的均匀分散。因此专利报道中石墨烯增强相的分布方式都是均匀分散。增强相的分布方式呈均匀分散的的方式，获得的钛基复合材料结果都是硬度与强度有一定的提高，但是塑形大幅下降。
三维网状结构的设计是以仿生结构为出发点，植物的躯干具有轻质高强度的特性，其微观结构均是三维的网络状，即满足了生物体新陈代谢的功能，又提供了机械强度起到支撑加固作用。增强相呈可控的非均匀分布，可以改善非连续增强钛基复合材料强度和塑韧性严重不协调的矛盾。目前网络状的增强相的钛基复合材料主要是采用原位自生TiB2等微米尺寸的纤维，如黄陆军等“一种两级网状结构Ti基复合材料及其制备方法”CN104911399B的专利，其中增强体网络状分布制备方法主要采用球磨混粉的制备方式，但长时间的球磨会引入铁等杂质，增加钛的含氧量，使材料的品质下降，不是理想的网络分布制备方法。而对于石墨烯等纳米尺寸的颗粒的网络状分布难度大，现有技术中尚未见可控的网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料的报道。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的在于提供一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料。增强相呈三维网络状分布是以仿生结构为出发点，同时也符合H-S理论中的性能上限的硬相包围软相的组织结构特征。增强相分布在钛的颗粒界面处，呈非封闭的网络状分布，可充分发挥“晶界强化”效应起到加固梁的作用，因此具有较高的强度；由于大面积钛基体区域(贫增强相区)的存在，以及基体相一定程度的连通，可以起到阻碍裂纹扩展以及起到承载应变的作用，从而材料具有较好的塑性。因此网状分布石墨烯增强钛基复合材料具有高强度和高塑形结合的优良的综合力学性能。
本发明的另一目的在于提供一种制备三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料的方法。通过利用钛粉修饰PVA并与石墨烯上羧基发生交联反应，实现纳米级石墨烯在钛颗粒表面均匀包覆，然后脱除掉PVA，最后烧结成型得到上述网络状复合材料。
本发明的另一目的在于提供三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料在应用，主要应用于航空航天、船舶舰艇等国防军工领域，作为航天器结构部件材料，运载火箭的压力容器材料、仓体、紧固件、结构件，卫星结构零部件材料、导弹弹体的部件材料材料、飞机航空发动机材料结构材料(风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件)，船舶舰艇耐腐蚀结构材料。
技术方案：为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料，其主要是由钛或钛合金作为钛基体，石墨烯作为增强相，在复合材料的微观结构中，石墨烯均匀分布在钛基体颗粒周围形成三维网络状结构，即类似于钛基体颗粒填充于石墨烯三维网络状结构的网格中并且完全致密，所形成的石墨烯增强钛基复合材料。
所述石墨烯为片状石墨烯，片厚1-50nm，直径0.1-20μm，以质量比计，所述石墨烯的添加比例为钛基体质量的0.05％-2％。所述钛基体的粉末颗粒是球形颗粒或者不规则颗粒，颗粒尺寸为1-800μm，即所得复合材料网络状结构中网格的尺寸为1-800μm。
所述钛基体为纯钛，或Ti6Al4V、或钛与其它合金化元素为Al、Fe、Nb、V、Ta、Zr、Sn、Mo、Cr、W、Ni、B或Si元素中的一种或者多种组成的合金。
所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)液相化学混合：取聚乙烯醇(PVA)粉末，加入去离子水，加热50-80℃磁力搅拌得3％-8％wt PVA水溶液；钛基体颗粒加入PVA水溶液搅拌1-8小时，使PVA包覆钛颗粒；去离子水洗去钛基体颗粒中过量PVA，60-100℃真空干燥6-10h；
(2)交联反应混合：取石墨烯粉末，加入丙酮，针状超声振荡30-60min，得均匀分散液；取步骤(1)所得产品，加入丙酮制得分散液，石墨烯分散液逐滴加入其中，搅拌1-48小时；
(3)干燥：将步骤(2)搅拌混合好的液体过滤，真空干燥1-10小时，干燥温度为40-120℃，完全干燥后过筛；
(4)烧结成型：根据需要产品的尺寸参数，取步骤(3)所得产品，在高纯氩气炉中脱除PVA，然后进行放电等离子烧结、热压烧结或真空无压烧结，即得所述石墨烯增强钛基复合材料。
上述方法中以质量比计，所述石墨烯的添加比例为钛基体质量的0.05％-2％，采用聚乙烯醇(PVA)作为钛粉表面修饰的材料，采用丙酮作为石墨烯的分散溶液；
所述高纯氩气脱除PVA的工艺为：采用普通管式炉或者放电等离子烧结炉的无压条件或者低压力1-10MPa条件下，温度500-800℃，保温5-60min，高纯氩气保护下脱除PVA高分子粘接剂；
所述放电等离子烧结的条件为：压力为20-500MPa、温度为700-1200℃，在最高烧结温度保温时间为1-60min，烧结气氛为高纯氩气或者真空；所述热压烧结的条件为：在真空或者惰性气氛保护下、压力为10-80MPa、温度为1000-1400℃，升温速度为10-100℃/min，在最高烧结温度保温时间为10-180min；所述真空无压烧结的条件为：在真空保护下无压力烧结，温度为1100-1500℃，升温速度为10-80℃/min，在最高烧结温度保温时间为30-240min。
优选的制备方法包括以下步骤：
(1)计算称量原始粉末：称量相应质量的钛粉末、石墨烯粉末和PVA粉末，石墨烯粉末相对于钛基体的质量分数分别为0.05wt.％-2wt.％，
(2)液相化学混合：取聚乙烯醇(PVA)粉末置于烧杯中，加入去离子水，加热50-80℃磁力搅拌得3％-5％wt PVA水溶液；钛粉末加入PVA水溶液搅拌1-8小时，然后去离子水洗去钛颗粒中过量PVA，60-100℃真空干燥6-10h，得到表面包覆PVA的TC4粉末。
(3)交联反应混合：取步骤(1)中的相应质量分数的石墨烯粉末置于烧杯中，加入丙酮，针状超声振荡10-120min，得均匀分散液；取步骤(2)所得产品置于烧杯中，加入丙酮制得分散液，石墨烯分散液逐滴加入其中，搅拌1-48小时。
(4)将混合好的混合粉末置于真空干燥箱中抽真空干燥1-10小时，干燥温度为40-120℃，完全干燥后用100-400目的筛子过筛。
(5)烧结成型：确定烧结产品的尺寸参数，经计算后，称取一定质量的步骤(4)的产品。在高纯氩气炉中脱除掉PVA，最后可采用放电等离子烧结等成型方式来制作。
a.放电等离子烧结成型方法：将(4)的粉末倒入石墨模具中，装配入上下压头，放置入放电等离子烧结炉中烧结成型，在真空或者高纯氩气保护下、压力为20-500MPa、温度为700-1200℃，测温方式为热电偶测温或者红外测温，升温速度为20-300℃/min，在最高烧结温度保温时间为1-60min。自然炉冷，脱模得到产品。
作为优选也可以采用热压烧结方法：
b.热压烧结成型方法：将(4)的粉末倒入石墨模具中，装配入上下压头，放置入热压烧结炉中烧结成型，在真空或者惰性气氛保护下、压力为10-80MPa、温度为1000-1400℃，升温速度为10-100℃/min，在最高烧结温度保温时间为10-180min。自然炉冷，脱模得到产品。
作为优选也可以采用真空无压烧结方法：
c.真空烧结成型方法：将(4)的粉末倒入钢制模具中，装配入上下压头，冷压成型，脱模得到相应的形状的冷压坯，放置入真空烧结炉中烧结成型，在真空保护下无压力烧结成型、温度为1100-1500℃，升温速度为10-80℃/min，在最高烧结温度保温时间为30-240min。自然炉冷，脱模得到产品。
所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料作为航空航天或船舶舰艇部件材料的应用。所述航空航天或船舶舰艇部件材料包括航天器结构部件材料、运载火箭的压力容器材料、卫星结构零部件材料、导弹弹体的部件材料材料、飞机航空发动机材料结构材料或船舶舰艇耐腐蚀结构材料等。
本发明的网状分布石墨烯增强钛基复合材料，利用钛粉表面修饰PVA和羧基化石墨烯上官能团的发生交联反应，使得石墨烯均匀包覆在钛基颗粒表面，在后续氩气中热处理过程中，PVA分解脱除掉，而石墨烯则呈网状包覆颗粒，最后烧结成型得到复合材料，在界面处石墨烯与钛基体原位生成纳米级碳化钛颗粒，转变率为20-60％，仍会有部分石墨烯残留，所以形成了石墨烯与纳米碳化钛协同增强的钛基复合材料。现有获得网状分布的技术主要为球磨混合基体与增强体粉末，靠长时间磨球磨料之间相互碰撞使得增强体附着在基体颗粒表面，且这种方法容易引入杂质，易破坏基体与增强体颗粒形貌与结构，从而影响烧结后复合材料的性能。而本发明中使用PVA包覆基体颗粒，利用PVA上羟基与石墨烯上修饰的羧基的物理交联作用，使得石墨烯均匀的包覆在基体颗粒表面，不破坏基体颗粒和增强体原有结构和形貌，取得优异的分散包覆效果，在后续放电等离子快速烧结中，可以一步实现去除PVA和致密化成型，从而简化了制备工艺，缩短了生产周期；也可以先脱除PVA再进行烧结成型。
本发明方法网状分布石墨烯增强钛基复合材料，石墨烯具有密度小，比表面积大，高强度高模量的特点，石墨烯增强的复合材料可提高有效提高材料的综合性能，而原位生成的纳米级碳化钛与基体结合紧密，界面更清洁，具有良好的机械性能。而石墨烯和纳米级碳化钛颗粒呈网络状包覆基体颗粒可有效的提升复合材料的强度并保持一定的塑性。强度的提高是由于，一方面，增强体网状分布是仿生的思路，符合植物的茎的微观结构特征，同时也符合H-S理论中上限组织结构特点，即增强相包围基体相；另一方面也符合增强相分布在颗粒的界面相，从而充分发挥了“晶界强化”效应。较高的塑性指标可以归结为贫增强相的较大基体区域的存在，以及基体相的存在一定程度的连通。其不仅可以起到阻碍裂纹扩展的作用，还可以起到承载应变的作用。由于网状结构中，局部增强相含量较高，使网状结构具有较高的高温承载能力，同时原位生成的碳化钛颗粒与基体的界面结合强度高，形成高温“晶界强化”效应，导致网状结构复合材料表现出更高的高温强度。因此网状分布石墨烯增强钛基复合材料具有优异的综合性能，拓宽了钛合金在航空航天领域中的应用。
技术效果：相对于现有的球磨混粉的技术，本发明的方法，利用交联反应使石墨烯在基体颗粒表面良好包覆，克服了球磨方法容易带入杂质而且难以实现石墨烯纳米颗粒均匀包覆钛粉末的难题，经烧结成型得到三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料。相对于均分分布的石墨烯增强钛基复合材料，该复合材料具有高强度和高塑性，具有优异的综合力学性能。
附图说明
图1为不同石墨烯含量的网络状分布石墨烯增强钛基复合材料以及Ti6Al4V的X射线衍射仪图谱；
图2为不同石墨烯含量的钛基复合材料网络不同位置的显微硬度趋势图，其中，1为网格中心位置，2、3为网格中心到网格上之间的过渡位置，4为网格上位置，5为网格上三叉交界位置的硬度数值；
图3为不同石墨烯含量的网络状分布石墨烯增强钛基复合材料以及Ti6Al4V的压缩强度趋势图；
图4为网络状分布石墨烯增强钛基复合材料的金相显微镜图片(A)与扫描电镜形貌照片(B)；
图5为网络状分布石墨烯增强钛基复合材料产品的压缩断面的扫描电子显微镜形貌。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
放电等离子技术烧结生产石墨烯增强钛基复合材料，采用羧基化石墨烯粉末与球形Ti6Al4V(TC4)粉末为原料，其中石墨烯片厚度1-5nm，直径0.1-10μm，钛粉末的颗粒尺寸为180μm(80目)，分别为纳米粉末和微米粉末。制作直径为10mm以及高度为12mm的圆柱形复合材料烧结体。
具体步骤如下：
(1)称量2.5gPVA粉末置于烧杯中，加入去离子水，加热80℃磁力搅拌1h配成质量分数5％的PVA水溶液；称量10g 180μm的TC4粉末(纯度为99％)与质量分数为0.5wt％的羧基化石墨烯粉末。
(2)把TC4粉末加入PVA水溶液中，搅拌5h后去离子水清洗，60℃真空干燥2h。然后把包覆过PVA的TC4粉末置于烧杯中，加入30ml丙酮形成均匀分散液；把质量分数为0.5wt％的石墨烯粉末置于烧杯中，加入丙酮，用针状振荡仪振荡5min；将TC4分散液逐滴加入石墨烯分散液中，电动搅拌6h。
(3)取石墨烯和TC4混合后的潮湿粉末，放入真空干燥箱60℃真空干燥3h，完全干燥后用80目筛子过筛。
(4)确定烧结后的产品的尺寸参数：Φ＝20mm,h＝10mm。照质量密度公式计算所需粉末质量为4.145g。
将(4)的粉末倒入石墨模具中，装配入上下压头，放置入放电等离子烧结炉中，SPS烧结参数为：Ar气氛、红外测温，升温速度为100℃/min。首先升温至700℃，3MPa压力下保温20min，除去PVA粘接剂，之后继续升温至1050℃，压力60MPa，保温烧结5min，使材料致密成型，然后炉冷至室温。将烧结后的产品应用阿基米德法测相对密度，计算得致密度高达99.9％。
性能测试与组织结构分析：对样品分别用X射线衍射仪进行物相分析、应用显微硬度计测量显微硬度、微机控制电子万能试验进行压缩试验、最后采用透射电子显微镜分析石墨烯增强钛基复合材料的微观组织结构，采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观测分析。
实施例2
放电等离子烧结技术生产网络状石墨烯增强钛基复合材料，采用石墨烯粉末与球形纯钛粉末为原料(纯度为99.5％)，其中石墨烯片厚5-10nm，直径10-20μm，纯钛粉末的颗粒尺寸为250μm。制作直径为20mm以及高度为12mm的圆柱形复合材料烧结体。
具体步骤如下：
(1)称量5g PVA粉末置于烧杯中，加入去离子水，加热80℃磁力搅拌3h配成质量分数3％的PVA水溶液；称量20g 106μm的纯钛粉末(纯度为99％)与质量分数为1wt％的羧基化石墨烯粉末。
(2)取纯钛粉末加入PVA水溶液中，搅拌3h后去离子水清洗，60℃真空干燥2h。然后把包覆过PVA的纯钛粉末置于烧杯中，加入30ml丙酮形成均匀分散液；把质量分数为1wt％的石墨烯粉末置于烧杯中，加入丙酮，用针状振荡仪振荡10min；将钛粉分散液逐滴加入石墨烯分散液中，电动搅拌8h。
(3)将石墨烯和钛粉混合后的潮湿粉末，放入真空干燥箱60℃真空干燥3h，完全干燥后用150目筛子过筛。
(4)确定烧结后的产品的尺寸参数：Φ＝20mm,h＝12mm。计算所需粉末的质量为16.59g。
(5)称取16.59筛好的粉末放入管式炉，高纯氩气保护下，500℃保温60分钟，脱去PVA高分子粘接剂。取步骤(5)所得粉末，用钢制模具在100-500MPa的压力下压制成型，脱模得到冷压坯，然后放置如真空烧结烧结炉中烧结成型，在真空保护下无压力烧结成型、温度为1300℃，升温速度为10℃/min,在最高烧结温度保温时间为120min。自然炉冷，脱模得到纳米石墨烯增强钛基复合材料。将烧结后的产品应用阿基米德法测相对密度，计算得致密度高达99.8％。
性能测试与组织结构分析：对样品分别用X射线衍射仪进行物相分析、应用显微硬度计测量显微硬度、微机控制电子万能试验进行压缩试验、最后采用透射电子显微镜分析石墨烯增强钛基复合材料的微观组织结构，采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观测分析。
实施例3
热压烧结技术生产网络状石墨烯增强钛基复合材料，采用石墨烯粉末与不规则的钛镍合金粉末为原料，其中石墨烯尺寸片厚10-15nm，直径0.1-5μm，钛钼粉末的颗粒尺寸为13μm(1000目)，制作直径为30mm以及高度为20mm的圆柱形复合材料烧结体。具体步骤如下：
(1)称量5gPVA粉末置于烧杯中，加入去离子水，加热100℃磁力搅拌3h配成质量分数10％的PVA水溶液；称量70g 13μm的钛钼粉末(纯度为99.5％)与质量分为1.5wt％的羧基化石墨烯粉末。
(2)取钛钼粉末加入PVA水溶液中，搅拌12h后去离子水清洗，60℃真空干燥3h。然后把包覆过PVA的钛钼粉末置于烧杯中，加入30ml丙酮形成均匀分散液；把质量分数为1.5wt％的石墨烯粉末置于烧杯中，加入丙酮，用针状振荡仪振荡30min；将钛钼粉分散液逐滴加入石墨烯分散液中，电动搅拌12h。
(3)将石墨烯和钛钼粉混合后的潮湿粉末，放入真空干燥箱60℃真空干燥3h，完全干燥后用800目筛子过筛。
(4)确定烧结后的产品的尺寸参数：Φ＝30mm,h＝20mm。计算所需粉末的质量为62.88g
(5)称取62.88g筛好的粉末放入管式炉，高纯氩气保护下，600℃保温20分钟，脱去PVA高分子粘接剂。
取步骤(5)所得粉末，装入热压烧结炉中，在真空保护下、压力为30MPa、温度为1200℃，在最高烧结温度保温时间为60min。自然炉冷，脱模得到产品。
将烧结后的产品应用阿基米德法测相对密度，计算得致密度高达99.9％。
性能测试与组织结构分析：对样品分别用X射线衍射仪进行物相分析、应用显微硬度计测量显微硬度、微机控制电子万能试验进行压缩试验、最后采用透射电子显微镜分析石墨烯增强钛基复合材料的微观组织结构，采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观测分析。
实施例4
真空无压烧结技术生产网络状石墨烯增强钛基复合材料，采用石墨烯粉末与钛铝合金粉末为原料，其中石墨烯片厚15-20nm，直径5-10μm，钛镍粉末的颗粒尺寸为48μm(300目)。制作直径为50mm以及高度为30mm的圆柱形复合材料烧结体。
具体步骤如下：
(1)称量10gPVA粉末置于烧杯中，加入去离子水，加热100℃磁力搅拌1h配成质量分数2％的PVA水溶液；称量300g 48μm的钛镍粉末(纯度为99.5％)与质量分为2wt％的羧基化石墨烯粉末。
(2)取钛镍粉末加入PVA水溶液中，搅拌15h后去离子水清洗，60℃真空干燥3h。然后把包覆过PVA的钛钼粉末置于烧杯中，加入150ml丙酮形成均匀分散液；把质量分数为2wt％的石墨烯粉末置于烧杯中，加入丙酮，用针状振荡仪振荡60min；将钛钼粉分散液逐滴加入石墨烯分散液中，电动搅拌20h。
(3)将石墨烯和钛镍粉混合后的潮湿粉末，放入真空干燥箱60℃真空干燥3h，完全干燥后用300目筛子过筛。
(4)确定气压烧结后的产品的尺寸参数：Ф＝50mm，h＝30mm。计算粉末的质量为264.9g。
(5)称取264.9g筛好的粉末放入管式炉，高纯氩气保护下，550℃保温40分钟，脱去PVA高分子粘接剂。
取步骤(5)所得粉末，用钢制模具在200-MPa的压力下压制成型，脱模得到冷压坯，然后放置气压烧结炉中烧结成型，在氩气压力下烧结、温度为1300℃，升温速度为20℃/min,在最高烧结温度保温时间为90min。自然炉冷，脱模得到石墨烯增强钛基复合材料。将烧结后的产品应用阿基米德法测相对密度，计算得致密度高达99.8％。
性能测试与组织结构分析：对样品分别用X射线衍射仪进行物相分析、应用显微硬度计测量显微硬度、微机控制电子万能试验进行压缩试验、最后采用透射电子显微镜分析石墨烯增强钛基复合材料的微观组织结构，采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观测分析。
实施例5
方法同实施例2，不同之处如下：
石墨烯片厚20-30nm，直径0.1-10μm基体选用TC6钛合金粉，其粉末的颗粒尺寸为20μm，所述石墨烯的添加比例为基体钛质量的0.05％。
将烧结后的产品应用阿基米德法测相对密度，计算得致密度高达99.7％。
性能测试与组织结构分析：对样品分别用X射线衍射仪进行物相分析、应用显微硬度计测量显微硬度、微机控制电子万能试验进行压缩试验、最后采用透射电子显微镜分析石墨烯增强钛基复合材料的微观组织结构，采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观测分析。
实施例6
方法同实施例3，不同之处如下：
石墨烯片厚30-50nm，直径0.1-10μm基体钛选用TC11钛合金粉，其粉末的颗粒尺寸为800μm，所述石墨烯的添加比例为基体钛质量的1.5％。
将烧结后的产品应用阿基米德法测相对密度，计算得致密度高达99.9％。
性能测试与组织结构分析：对样品分别用X射线衍射仪进行物相分析、应用显微硬度计测量显微硬度、微机控制电子万能试验进行压缩试验、最后采用透射电子显微镜分析石墨烯增强钛基复合材料的微观组织结构，采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观测分析。
说明书
附图1为加入不同含量的石墨烯增强钛基复合材料以及TC4的XRD图谱，可见添加0.5wt％及以上的石墨烯，会有微量的碳化钛(TiC)相生成，碳化钛的存在会使基体强度提高。
图2为复合材料从基体颗粒芯部到网状边界不同位置处的显微硬度曲线图，从内部到网状边界硬度逐渐增加，由于增强体集中在边界，较大基体内部含量较少。
图3为压缩强度的应力应变趋势图，可以看出石墨烯添加量在0.75％以下材料的强度提高且塑性损失非常小，石墨烯添加量在0.75％以上材料强度提高，塑性下降，最优化的石墨烯增强基含量为0.5wt％，另外也表明可以根据不同用途材料的力学强度要求，调控加入不同含量的石墨烯，以制备出不同强塑性的钛基复合材料。
图4为添加1.5wt％石墨烯的钛基复合材料的金相显微镜和扫描电镜照片，可以观察到增强体均匀分布在基体颗粒周围，形成规则的网状结构，表明本发明的制备方法可得到网状结构的石墨烯增强钛基复合材料。
图5为添加1.5wt％石墨烯的钛基复合材料的压缩断裂断口的扫描电子显微镜的形貌照片，可以看出断裂是沿网状结构的界面处进行，TiC颗粒断裂周围有基体被撕裂的产生韧窝，网状分布石墨烯增强钛基复合材料在强度提高的同时还表现出较好的塑性。

Claims (10)

1.一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料，其特征在于，其主要是由钛或钛合金作为钛基体，石墨烯作为增强相，在复合材料的微观结构中，石墨烯均匀分布在钛基体颗粒周围形成三维网络状结构，即类似于钛基体颗粒填充于石墨烯三维网络状结构的网格中并且完全致密，所形成的石墨烯增强钛基复合材料。
2.根据权利要求1所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料，其特征在于，所述石墨烯为片状石墨烯，片厚1-50nm，直径0.1-20μm，所述钛基体的粉末颗粒是球形颗粒或者不规则颗粒，颗粒尺寸为1-800μm，即所得复合材料网络状结构中网格的尺寸为1-800μm。
3.根据权利要求1所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料，其特征在于，所述钛基体为纯钛，或Ti6Al4V或钛与其它合金化元素为Al、Fe、Nb、V、Ta、Zr、Sn、Mo、Cr、W、Ni、B或Si元素中的一种或者多种组成的合金。
4.根据权利要求1或2所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)液相化学混合：取聚乙烯醇(PVA)粉末，加入去离子水，加热50-80℃磁力搅拌得3％-8％wt PVA水溶液；钛基体颗粒加入PVA水溶液搅拌1-8小时，使PVA包覆钛颗粒；去离子水洗去钛基体颗粒中过量PVA，60-100℃真空干燥6-10h；
(2)交联反应混合：取石墨烯粉末，加入丙酮，针状超声振荡30-60min，得均匀分散液；取步骤(1)所得产品，加入丙酮制得分散液，石墨烯分散液逐滴加入其中，搅拌1-48小时；
(3)干燥：将步骤(2)搅拌混合好的液体过滤，真空干燥1-10小时，干燥温度为40-120℃，完全干燥后过筛；
(4)烧结成型：根据需要产品的尺寸参数，取步骤(3)所得产品，在高纯氩气炉中脱除PVA，然后进行放电等离子烧结、热压烧结或真空无压烧结，即得所述石墨烯增强钛基复合材料。
5.根据权利要求4所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，以质量比计，所述石墨烯的添加比例为钛基体质量的0.05％-2％。
6.根据权利要求4所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，采用聚乙烯醇(PVA)作为钛粉表面修饰的材料，采用丙酮作为石墨烯的分散溶液。
7.根据权利要求4所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述高纯氩气脱除PVA的工艺为：采用普通管式炉或者放电等离子烧结炉的无压条件或者低压力1-10MPa条件下，温度500-800℃，保温5-60min，高纯氩气保护下脱除PVA高分子粘接剂。
8.根据权利要求4所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的条件为：压力为20-500MPa、温度为900-1200℃，在最高烧结温度保温时间为1-60min，烧结气氛为高纯氩气或者真空；所述热压烧结的条件为：在真空或者惰性气氛保护下、压力为10-80MPa、温度为1000-1400℃，升温速度为10-100℃/min，在最高烧结温度保温时间为10-180min；所述真空无压烧结的条件为：在真空保护下无压力烧结，温度为1100-1500℃，升温速度为10-80℃/min，在最高烧结温度保温时间为30-240min。
9.权利要求1-3所述的三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料作为航空航天或船舶舰艇部件材料的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述航空航天或船舶舰艇部件材料包括航天器结构部件材料、运载火箭的压力容器材料、卫星结构零部件材料、导弹弹体的部件材料材料、飞机航空发动机材料结构材料或船舶舰艇耐腐蚀结构材料。
CN201810801698.5A 2018-07-20 2018-07-20 一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用 Active CN109022907B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810801698.5A CN109022907B (zh) 2018-07-20 2018-07-20 一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810801698.5A CN109022907B (zh) 2018-07-20 2018-07-20 一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109022907A true CN109022907A (zh) 2018-12-18
CN109022907B CN109022907B (zh) 2020-02-18

Family

ID=64644605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810801698.5A Active CN109022907B (zh) 2018-07-20 2018-07-20 一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109022907B (zh)

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109554577A (zh) * 2018-12-28 2019-04-02 北京理工大学 一种片层结构的石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
CN110093529A (zh) * 2019-04-01 2019-08-06 华南理工大学 用于受电弓滑板的石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法
CN110331314A (zh) * 2019-08-14 2019-10-15 东南大学 一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用
CN110499432A (zh) * 2019-09-27 2019-11-26 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种可控网状碳化钛骨架结构钛基材料的制备方法
CN110512109A (zh) * 2019-09-20 2019-11-29 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
CN110791169A (zh) * 2019-09-26 2020-02-14 科锐特新材料科技(洛阳)有限公司 一种防脱螺丝钉用微胶囊涂层材料
CN111069614A (zh) * 2020-01-07 2020-04-28 西北工业大学 原位自生微纳TiC增强钛基复合材料的增材制造方法
CN111112629A (zh) * 2019-12-31 2020-05-08 西北工业大学 一种基于3d打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
CN111139376A (zh) * 2020-01-21 2020-05-12 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种原位针状max相增强钛基复合材料的制备方法
CN111270101A (zh) * 2020-03-25 2020-06-12 西安稀有金属材料研究院有限公司 微合金化协同强化的石墨烯钛基复合材料及其制备方法
CN111809072A (zh) * 2020-07-09 2020-10-23 南昌航空大学 一种石墨烯增强Ti2AlNb复合材料的制备方法
CN112342419A (zh) * 2020-09-23 2021-02-09 华南理工大学 一种基于交联改性的烧结氢化钛制备TiC增强钛基复合材料的方法
CN112520723A (zh) * 2019-09-18 2021-03-19 天津大学 一种通过破坏石墨烯周期性提高氟化碳放电电压的方法
CN113458388A (zh) * 2021-07-02 2021-10-01 南京工业大学 基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料及其制备方法
CN113909475A (zh) * 2021-10-11 2022-01-11 哈尔滨工业大学 一种原位自生三维网状结构增强复合物的制备方法
CN115090873A (zh) * 2022-07-07 2022-09-23 西北有色金属研究院 一种改性钛或钛合金粉制备钛基复合材料的方法
CN115807179A (zh) * 2021-09-14 2023-03-17 中国石油天然气股份有限公司 一种钛石墨烯复合材料及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103334030A (zh) * 2013-06-09 2013-10-02 武汉理工大学 一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料及其制备方法
US20140261672A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Miami University Titanium metal as electrode for organic solar cells, flexible organic solar cell on ti foil and method of manufacture
CN104561629A (zh) * 2015-01-20 2015-04-29 哈尔滨工业大学 添加石墨烯改善TiAl合金性能的方法
CN105063404A (zh) * 2015-06-25 2015-11-18 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种钛基烯合金的制备方法
CN107557612A (zh) * 2017-07-27 2018-01-09 中国航发北京航空材料研究院 一种石墨烯增强钛基纳米复合材料及制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140261672A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Miami University Titanium metal as electrode for organic solar cells, flexible organic solar cell on ti foil and method of manufacture
CN103334030A (zh) * 2013-06-09 2013-10-02 武汉理工大学 一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料及其制备方法
CN104561629A (zh) * 2015-01-20 2015-04-29 哈尔滨工业大学 添加石墨烯改善TiAl合金性能的方法
CN105063404A (zh) * 2015-06-25 2015-11-18 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种钛基烯合金的制备方法
CN107557612A (zh) * 2017-07-27 2018-01-09 中国航发北京航空材料研究院 一种石墨烯增强钛基纳米复合材料及制备方法

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109554577A (zh) * 2018-12-28 2019-04-02 北京理工大学 一种片层结构的石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
CN110093529A (zh) * 2019-04-01 2019-08-06 华南理工大学 用于受电弓滑板的石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法
CN110331314A (zh) * 2019-08-14 2019-10-15 东南大学 一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用
CN110331314B (zh) * 2019-08-14 2021-08-24 东南大学 一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用
CN112520723A (zh) * 2019-09-18 2021-03-19 天津大学 一种通过破坏石墨烯周期性提高氟化碳放电电压的方法
CN110512109A (zh) * 2019-09-20 2019-11-29 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
CN110512109B (zh) * 2019-09-20 2021-09-03 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
CN110791169A (zh) * 2019-09-26 2020-02-14 科锐特新材料科技(洛阳)有限公司 一种防脱螺丝钉用微胶囊涂层材料
CN110499432A (zh) * 2019-09-27 2019-11-26 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种可控网状碳化钛骨架结构钛基材料的制备方法
CN110499432B (zh) * 2019-09-27 2021-05-25 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种可控网状碳化钛骨架结构钛基材料的制备方法
CN111112629B (zh) * 2019-12-31 2022-03-22 西北工业大学 一种基于3d打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
CN111112629A (zh) * 2019-12-31 2020-05-08 西北工业大学 一种基于3d打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
CN111069614A (zh) * 2020-01-07 2020-04-28 西北工业大学 原位自生微纳TiC增强钛基复合材料的增材制造方法
CN111139376A (zh) * 2020-01-21 2020-05-12 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种原位针状max相增强钛基复合材料的制备方法
CN111270101A (zh) * 2020-03-25 2020-06-12 西安稀有金属材料研究院有限公司 微合金化协同强化的石墨烯钛基复合材料及其制备方法
CN111809072A (zh) * 2020-07-09 2020-10-23 南昌航空大学 一种石墨烯增强Ti2AlNb复合材料的制备方法
CN112342419A (zh) * 2020-09-23 2021-02-09 华南理工大学 一种基于交联改性的烧结氢化钛制备TiC增强钛基复合材料的方法
CN112342419B (zh) * 2020-09-23 2022-04-15 华南理工大学 一种基于交联改性的烧结氢化钛制备TiC增强钛基复合材料的方法
CN113458388A (zh) * 2021-07-02 2021-10-01 南京工业大学 基于钛合金粒径与石墨烯层厚度错配的多尺度复合材料及其制备方法
CN115807179A (zh) * 2021-09-14 2023-03-17 中国石油天然气股份有限公司 一种钛石墨烯复合材料及其制备方法和应用
CN115807179B (zh) * 2021-09-14 2024-04-26 中国石油天然气股份有限公司 一种钛石墨烯复合材料及其制备方法和应用
CN113909475A (zh) * 2021-10-11 2022-01-11 哈尔滨工业大学 一种原位自生三维网状结构增强复合物的制备方法
CN113909475B (zh) * 2021-10-11 2022-08-02 哈尔滨工业大学 一种原位自生三维网状结构增强复合物的制备方法
CN115090873A (zh) * 2022-07-07 2022-09-23 西北有色金属研究院 一种改性钛或钛合金粉制备钛基复合材料的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109022907B (zh) 2020-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109022907A (zh) 一种三维网络状分布的石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用
US11731178B2 (en) Rolled (FeCoNiCrRn/Al)-2024Al composite panel and fabrication method thereof
CN109295344B (zh) 一种Ti2AlC增强钛基复合材料及其制备方法和应用
CN110564988B (zh) 固相原位TiC＋Ti5Si3增强耐高温钛基复合材料及其制备方法
CN109609806B (zh) 一种氧化石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法
CN108947495A (zh) 一种氧化铝高性能复合陶瓷刀具材料及其制备方法
CN107190178A (zh) 一种钛基复合材料及其制备方法
CN110331314A (zh) 一种纳米TiC修饰石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法和应用
Karademir et al. Effect of severe plastic deformation on wear properties of aluminum matrix composites
CN113862499A (zh) 一种新型双态组织钛基复合材料的加工制造方法
CN115612909B (zh) 网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料及其制备方法
CN107916380A (zh) 碳纤维增强钛基复合材料及其制备方法
CN101245461A (zh) 一种(FeAl＋Cr7C3)/γ－(Fe,Ni)复合涂层的制备方法
CN108588457A (zh) 一种高强耐磨钛合金的制备方法
CN108975918A (zh) 一种高韧性高温结构材料MoSi2-Mo5Si3复合陶瓷的制备
CN112281009B (zh) 一种烧结预分散石墨复合氢化钛制备钛基复合材料的方法
CN108396174B (zh) Ti-22Al-25Nb/Al2O3复合材料的制备方法
CN107931599A (zh) 一种钛铝合金的烧结工艺
CN109554567B (zh) 一种Ti-Fe合金基复合材料及其制备方法
CN104789808A (zh) 一种钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料及其制备方法
CN112281088B (zh) 一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法
CN116005084B (zh) 一种W颗粒-TiB晶须杂化增强钛基复合材料及其制备方法
CN113957288B (zh) 一种低成本高性能的TiBw/Ti复合材料及其制备方法与应用
CN102851538A (zh) 原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钼-锰合金材料及其制备方法
Şahin et al. The Microstructure and Hardness of Al2O3 Particle Reinforced Composite

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant