CN109402601A - 一种石墨烯微点阵结构增强铝基复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯微点阵结构增强铝基复合材料的制备方法。该方法在铝合金丝材的表面沉积石墨烯，然后将铝合金丝缠绕或编织成布并叠层，在外表面出包覆一层铝合金箔材，并封焊，烘焙、真空封装，形成一个蒙皮结构的预制坯；将蒙皮结构预制坯放入到成形的上模具和下模具之间，整体放入到气体扩散炉或热等静压炉中，升温至设定温度，然后加压，并保持一段时间后随炉冷却；取出后经过数控加工制备出有序石墨烯增强的铝基复合材料的具有特定外形的蒙皮结构件。本发明的方法使得石墨烯增强体具有有序三维架构，很好地解决了石墨烯增强体均匀分散的技术难题；本方法制备的成本低、效率高，适用于大批量生产和制备，具有良好的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备领域，具体地说是一种石墨烯微点阵结构增强铝基复合材料制备方法。
背景技术
三维点阵结构(Three Dimensional Lattice Structure)是由结点和结点间连接杆件单元组成的周期结构材料，其细观构型为三维网架体系，具有最优的力学性能和功能匹配，如图1所示。在此基础上，提出了三维有序架构的石墨烯微点阵(Graphene micro-lattice structure)的概念，其中点阵结构的筋条是石墨烯空心管，空心管壁由二维石墨烯薄膜层组成，厚度约为多层石墨烯的厚度，一般不超过10层，空心管的直径为0.1mm～1mm，空心管的长度为 0.5mm～5mm，如图1所示。这种石墨烯微点阵结构是一种纳米/微米/毫米的多层级跨尺度有序结构，石墨烯微点阵结构内部空间99.99％是中空结构，密度低于0.9mg/cm3，只有相同体积同种材料重量的0.3～0.001％。石墨烯微点阵结构不仅具有超轻的特性，还具有优异的力学和物理性质，是基于“无缝连接和拓扑有序化”设计理念提出的一种具有前沿性的新型材料和结构，为解决石墨烯材料微观与宏观性能不一致技术难题提供了一个新的思路，代表了高性能二维材料未来发展的方向。因此，未来，石墨烯微点阵材料在高效散热、宽频隐身、电磁屏蔽、射频晶体管、超灵敏传感器、柔性透明导电薄膜、高性能锂离子电池和超级电容器等方面展现出巨大的应用潜力，特别是可以用于未来新一代飞行器的防雷击、吸波隐身、承载一体化的大尺寸蒙皮结构。
石墨烯是是一种二维材料，它具有优异的物理性能和力学性能，可以作为金属基复合材料的增强体，来提升金属材料的性能。近年来，碳质纳米材料包括石墨烯和碳纳米管因其高导热性、高阻尼性容量、高弹性模型、高机械性能和良好的自润滑性而成为重要的结构和功能新材料的增强体。石墨烯作为金属的增强体尤其独特的优势，例如，高温固有稳定性、高强度和刚度、优越的导电性和电导率。然而，由于石墨烯密度小、分散性差、熔态下与熔融金属界面张力及界面反应问题，很难把石墨烯融入金属中。目前常用的石墨烯增强金属基复合材料的制备方法主要有：粉末冶金法、化学沉积法、水热合法、溶胶- 凝胶法等，但是这些方法都难于解决石墨烯增强金属基复合材料中存在的实现石墨烯均匀分散的技术难题，制备的金属基复合材料也就很难获得设计或要求的性能。
目前已有的石墨烯增强铝基复合材料存在的主要问题如下：第一，石墨烯增强体由于表面能较大，很容易在制备过程中产生聚集，导致制备的铝基复合材料性能降低；第二，石墨烯增强体在铝合金基体中无序排布，铝基复合材料性能的可设计性差；第三，采用现有制备方法，获得高性能的铝基复合材料的制造成本高，制备的复合材料力学性能不理想。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种石墨烯微点阵结构增强铝基复合材料制备方法。该方法解决石墨烯增强铝基复合材料存在的石墨烯分散均匀性性、性能可设计性的难题，在三维空间内具有有序架构，而且其石墨烯的几何参数具有可设计型，从而解决石墨烯有序分散的技术难题，制备出高性能的铝基复合材料。
为达到上述技术目的，本发明采用以下技术解决方案：
一种石墨烯微点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，采用化学气相沉积法在铝合金丝材的表面沉积石墨烯，然后将沉积了石墨烯的铝合金丝缠绕或编织，形成无纬布或纵横编织成布；
步骤二，将缠绕或编织的沉积了石墨烯的铝合金布叠层；
步骤三，在铝合金布的外表面出包覆一层铝合金箔材，并封焊；
步骤四，将包覆了铝合金箔材的预制坯进行烘焙、真空封装，形成一个蒙皮结构的预制坯；
步骤五，将蒙皮结构预制坯放入到成形的上模具和下模具之间，其中上模具和下模具具有预先设定的外形；
步骤六，将上模具、下模具、蒙皮结构预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中，升温至设定温度，然后加压，并保持一段时间后随炉冷却；
步骤七，将成形后的预制件取出后，然后经过数控加工，制备出有序石墨烯增强的铝基复合材料的具有特定外形的蒙皮结构件。
作为优选，所述步骤六中的工艺参数为：温度500℃～600℃，压力 100MPa～200MPa，时间2～6h。
作为优选，所述步骤四中将包覆了铝合金箔材的预制坯进行真空封装的极限真空度为1.0×10-3Pa。
本发明的创新之处及有益效果包括：
第一，通过化学气相沉积法，在金属三维点阵结构的表面沉积一层石墨烯微点阵结构，使得石墨烯增强体具有有序三维架构，很好地解决了石墨烯增强体均匀分散的技术难题；
第二，可以通过改变和优化石墨烯微点阵结构的几何参数，例如单元尺寸、筋条直径、筋条长度等几何参数，实现对石墨烯三维点阵结构的优化，从而可以优化石墨烯三维点阵结构增强的铝合金复合材料的力学性能，具有良好的可设计性；
第三，可以制备出有序石墨烯增强铝基复合材料的具有复杂外形的蒙皮结构件；
第四，采用本申请的方法制备石墨烯微点阵结构增强铝合金复合材料，制备的成本低、效率高，适用于大批量生产和制备，具有良好的工业化应用前景。
附图说明
图1示出了与本发明相关的石墨烯微点阵及其空心筋条结构图。
具体实施方式
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例一：
步骤一，采用化学气相沉积法在铝合金丝材的表面沉积石墨烯，然后将沉积了石墨烯的铝合金丝缠绕或编织，形成无纬布或纵横编织成为布，
步骤二，将缠绕或编织的沉积了石墨烯的铝合金布叠层，
步骤三，在铝合金布的外表面出包覆一层铝合金箔材，并封焊，
步骤四，将包覆了铝合金箔材的预制坯进行烘焙、真空封装，形成一个蒙皮结构的预制坯；
步骤五，将蒙皮结构预制坯放入到成形的上模具和下模具之间，其中上模具和下模具具有预先设定的外形；
步骤六，将上模具、下模具、蒙皮结构预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中，升温至温度500℃～600℃，然后加压至100MPa～200MPa，并保持2～ 6h后随炉冷却。
步骤七，将成形后的预制件取出后，然后经过数控加工，制备出有序石墨烯增强的铝基复合材料的具有特定外形的蒙皮结构件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种石墨烯微点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，采用化学气相沉积法在铝合金丝材的表面沉积石墨烯，然后将沉积了石墨烯的铝合金丝缠绕或编织，形成无纬布或纵横编织成布；
步骤二，将缠绕或编织的沉积了石墨烯的铝合金布叠层；
步骤三，在铝合金布的外表面出包覆一层铝合金箔材，并封焊；
步骤四，将包覆了铝合金箔材的预制坯进行烘焙、真空封装，形成一个蒙皮结构的预制坯；
步骤五，将蒙皮结构预制坯放入到成形的上模具和下模具之间，其中上模具和下模具具有预先设定的外形；
步骤六，将上模具、下模具、蒙皮结构预制坯放入到热压炉中，升温至设定温度，然后对上模具加压，并保持一段时间后随炉冷却，使得蒙皮结构件在成形的同时，实现蒙皮内部沉积了石墨烯的铝合金布之间的热压复合；
步骤七，将成形后的预制件取出后，然后经过数控加工，制备出有序石墨烯增强的铝基复合材料的具有特定外形的蒙皮结构件。
2.根据权利要求1所述的石墨烯微点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤六中的工艺参数为：温度500℃～600℃，压力20MPa～200MPa，时间2h～6h。
3.根据权利要求1所述的石墨烯微点阵结构增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤四中对预制坯进行真空封装的极限真空度为1.0×10-3Pa。
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