CN109972022B - 石墨烯铁基复合材料的制备方法 - Google Patents

石墨烯铁基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯铁基复合材料的制备方法，包括：提供第一混合液，第一混合液包括第一分散剂、第一助剂和石墨烯粉体；提供第二混合液，第二混合液包括第二分散剂、第二助剂和铁基金属粉体；将第一混合液和第二混合液混合后进行球磨并干燥处理得到混合粉体；将干燥处理后的混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将包套密封；将装载有混合粉体的密封包套进行热等静压处理，使得混合粉体形成复合材料坯体；以及将复合材料坯体与包套分离，其中，第一助剂包括十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，第二助剂包括N‑烷基二甲基胺乙内酯及N‑烷基二羟乙基氧化胺中的一种或多种。

Description

石墨烯铁基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及铁基复合材料领域，特别是涉及一种石墨烯铁基复合材料的制备方法。
背景技术
钢铁是制造业最基础的材料，现代装备制造业对于钢铁的要求越来越高，高性能钢材须具备高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、弹性极限、良好的冲击韧性、断裂韧性、尺寸稳定性等等，然而现有碳钢及合金钢等钢材的力学性能越来越不能满足未来先进装备的需求。但是由于传统工艺及装备的限制，常规制造的钢材始终受到强度不足、韧性不够以及易磨损等限制，其使用寿命和性能仍不能满足现有高性能零件的加工需求。
石墨烯是一种具有SP2杂化碳原子排列组成的蜂窝状二维平面结构材料，由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的材料，其杨氏模量约为1000GPa，强度约为130GPa，分别是最好的超高强度钢的6倍和60多倍，同时由于石墨烯的二维结构而使得其具有高韧性。因此，利用石墨烯的超高强度和二维特性，将其与铁基金属复合，制备成石墨烯增强铁基复合材料，可获得高强高韧的复合材料，广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通、能源和体育等领域中。其中，粉末冶金是制备金属材料的一种常用方法。然而，通过粉末冶金法制备石墨烯增强铁基复合材料涉及两种粉体难以均匀混合，使形成的复合材料中石墨烯在铁基金属基体中分布不均匀，导致复合材料的机械性能受到影响。
发明内容
基于此，有必要针对粉末冶金法制备石墨烯增强铁基金属复合材料中石墨烯分布不均匀的问题，提供一种石墨烯铁基复合材料的制备方法。
一种石墨烯铁基复合材料的制备方法，包括：
提供第一混合液，所述第一混合液包括第一分散剂、第一助剂和石墨烯粉体；
提供第二混合液，所述第二混合液包括第二分散剂、第二助剂和铁基金属粉体；
将所述第一混合液和所述第二混合液混合后进行球磨并干燥处理得到混合粉体；
将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；
将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及
将所述复合材料坯体与所述包套分离，
其中，所述第一助剂包括十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，所述第二助剂包括N-烷基二甲基胺乙内酯及N-烷基二羟乙基氧化胺中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述第二助剂还包括聚乙二醇及聚乙烯醇中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述第二助剂还包括聚乙烯吡咯烷酮。
在其中一个实施例中，所述第一分散剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基-2-吡咯烷酮中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述第二分散剂包括水、乙醇、甲醇及异丙醇中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述第一分散剂和所述第二分散剂中的至少一种包括水。
在其中一个实施例中，所述第一助剂的含量为所述石墨烯粉体含量的50％～80％。
在其中一个实施例中，所述第二助剂的含量为所述铁基金属粉体含量的0.05％～0.5％。
在其中一个实施例中，所述石墨烯粉体的片径为2μm～20μm，所述铁基金属粉体为雾化球形铁基金属粉体，所述雾化球形铁基金属粉体的粒径为10μm～100μm。
在其中一个实施例中，所述提供第一混合液的步骤包括将所述第一分散剂、所述第一助剂和所述石墨烯粉体混合后在60℃～100℃下超声处理。
在其中一个实施例中，所述提供第二混合液的步骤包括将所述第二分散剂、所述第二助剂和所述铁基金属粉体混合后在60℃～90℃下超声处理。
在其中一个实施例中，所述抽真空除气处理的步骤包括：
将装载有所述混合粉体的所述包套抽真空至所述包套内的真空度为小于或等于1.0×10-2Pa；以及
对装载有所述混合粉体的所述包套在所述真空度下进行加热，所述加热的温度为300℃～900℃。
在其中一个实施例中，所述热等静压的温度为900℃～1100℃，所述热等静压的压强为120MPa～140MPa。
本发明的制备方法通过在石墨烯粉体分散过程中加入十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮或其混合物作为第一助剂，提高石墨烯粉体在第一混合液中的分散性。通过在铁基金属粉体分散过程中加入N-烷基二甲基胺乙内酯、N-烷基二羟乙基氧化胺或其混合物作为第二助剂，提高铁基金属粉体在第二混合液中的分散性。第一助剂和第二助剂的亲和性较好，在第一混合液和第二混合液混合之后，第一助剂和第二助剂相互配合，使得石墨烯粉体和铁基金属粉体混合更均匀，消除成分偏析，进而使得石墨烯铁基复合材料具有更好的机械性能。
附图说明
图1为本发明一实施例的石墨烯铁基复合材料的制备方法流程图；
图2为本发明一实施例的石墨烯铁基复合材料的透射电子显微镜照片，其中，左侧为石墨烯，右侧为铁基金属。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的石墨烯铁基复合材料的制备方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-2，本发明实施例提供一种石墨烯铁基复合材料的制备方法，包括：
S10，提供第一混合液，所述第一混合液包括第一分散剂、第一助剂和石墨烯粉体；
S20，提供第二混合液，所述第二混合液包括第二分散剂、第二助剂和铁基金属粉体；
S30，将所述第一混合液和所述第二混合液混合后进行球磨并干燥处理得到混合粉体；
S40，将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；
S50，将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及
S60，将所述复合材料坯体与所述包套分离。
其中，所述第一助剂包括十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，所述第二助剂包括N-烷基二甲基胺乙内酯及N-烷基二羟乙基氧化胺中的一种或多种。
本发明实施例的制备方法通过在石墨烯粉体分散过程中加入十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮或其混合物作为第一助剂，提高石墨烯粉体在第一混合液中的分散性。通过在铁基金属粉体分散过程中加入N-烷基二甲基胺乙内酯、N-烷基二羟乙基氧化胺或其混合物作为第二助剂，提高铁基金属粉体在第二混合液中的分散性。第一助剂和第二助剂的亲和性较好，在第一混合液和第二混合液混合之后，第一助剂和第二助剂相互配合，使得石墨烯粉体和铁基金属粉体混合更均匀，消除成分偏析，进而使得石墨烯铁基复合材料具有更好的机械性能
在步骤S10中，在一实施例中，所述石墨烯为原始的石墨烯和氧化石墨烯中的一种或多种，所述原始的石墨烯即未被氧化或连接功能基团的石墨烯，原始的石墨烯碳原子结构未破坏，机械性能更强。所述氧化石墨烯更容易分散。。石墨烯的层数可为1～8层，优选的，所述石墨烯的层数为1～3层，所述石墨烯的层数越少，石墨烯的片径与厚度比越大，二维片层效应越明显，对球形的铁基金属粉体越容易形成表面包覆，使石墨烯铁基复合材料的机械性能更好。
在一实施例中，所述石墨烯粉体在所述石墨烯铁基复合材料中的质量分数可以为0.01％～0.5％。石墨烯的含量的增加对复合材料的机械性能，尤其是韧性的提高具有较好效果，但含量较大的石墨烯难于均匀分散，容易形成团聚，导致分散时间增加，能耗提高，且用于分散石墨烯的第一助剂含量相应提高，使复合材料的抗弯强度有所降低。优选的，所述石墨烯粉体在所述石墨烯铁基复合材料中的质量分数可以为0.05％～0.3％。
在一实施例中，所述第一分散剂可以选自水和挥发性的有机溶剂中的至少一种。所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体混合后，可通过简单的加热蒸发去除所述分散剂，形成石墨烯粉体和铁基金属粉体的混合粉体。可选的，所述挥发性的有机溶剂可以包括乙醇、甲醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基-2-吡咯烷酮中的一种或多种。
所述第一助剂包括十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。所述十二烷基苯磺酸钠和所述聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，有助于所述石墨烯粉体在所述第一分散剂中的分散并且不会破坏所述石墨烯粉体的性质。同时，所述十二烷基苯磺酸钠和所述聚乙烯吡咯烷酮能够与所述第二分散剂及所述第二助剂相互配合实现所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体的均匀混合。在一实施例中，所述第一助剂的含量可以为所述石墨烯粉体含量的50％～80％。
在一实施例中，所述提供第一混合液的步骤包括将所述第一分散剂、所述第一助剂和所述石墨烯粉体进行超声处理。所述超声处理的温度可以为60℃～100℃。所述超声处理的时间可以为30min～120min。
在步骤S20中，所述铁基金属粉体可以为雾化球形铁基金属粉体。所述雾化球形铁基金属粉体的制备方法为先将金属原料熔炼为合金液体，然后通过喷嘴将合金液体与高速气流或水流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴进一步凝固成合金粉末。优选的，所述雾化球形铁基金属粉体利用惰性气雾化。惰性气雾化粉体以方便能够减少铁基金属的氧化，另一方面能够形成规则的球形颗粒，球形的铁基金属粉体有利于减小与石墨烯粉体混合后的尺寸间隙，有利于形成石墨烯包覆铁基金属粉体的结构，从而提高石墨烯铁基复合材料的机械强度。
所述铁基金属粉体以铁作为基本元素，并包括非石墨类碳元素及其他合金元素。所述其他合金元素可以包括但不限于Cr、Mn、Mo、Si、Cu、Ni、P、S、W、V、Ti及P中的一种或多种。
各元素的种类和含量可以根据石墨烯铁基复合材料的应用领域的不同进行调整。
在一实施例中，所述铁基金属粉体的粒径可以为10μm～100μm，所述石墨烯粉体的片径可以为2μm～20μm。优选的，所述铁基金属粉体的粒径和所述石墨烯粉体的片径不宜相差过大，所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体在该尺寸范围能够相互匹配，更有利于形成二维石墨烯包覆球形铁基金属粉体的结构，从而使得石墨烯和铁基金属粉体的结合更牢固，有利于降低石墨烯粉体和铁基金属粉体之间的间隙，提高石墨烯铁基复合材料的机械性能。
在一实施例中，所述第二分散剂可以包括选自水和挥发性的有机溶剂中的至少一种。所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体混合后，可通过简单的加热蒸发去除所述分散剂，形成石墨烯粉体和铁基金属粉体的混合粉体。可选的，所述挥发性的有机溶剂可以包括乙醇、甲醇及异丙醇中的一种或多种。
在一实施例中，所述第二助剂包括N-烷基二甲基胺乙内酯及N-烷基二羟乙基氧化胺中的一种或多种。N-烷基二甲基胺乙内酯或N-烷基二羟乙基氧化胺为两性离子化合物，同时带有正电基团和负电基团，能够与铁基金属粉体表面电离的氢氧化物具有良好的结合性，由于N-烷基二甲基胺乙内酯及N-烷基二羟乙基氧化胺中含有两偶极中心从而在等电区不会出现溶解度急剧降低的现象，因而N-烷基二甲基胺乙内酯及N-烷基二羟乙基氧化胺在广泛的范围内有优异的水溶性，能够在任何pH的水溶液中使用，且具有较好的化学稳定性。此外，石墨烯粉体中添加第一助剂，所述第一助剂使得所述石墨烯粉体在所述第一混合液中的均匀分散，在所述第一助剂中，十二烷基苯磺酸钠为阴离子表面活性剂，聚乙烯吡咯烷酮为非离子表面活性剂，所述第二助剂第一N-烷基二甲基胺乙内酯或N-烷基二羟乙基氧化胺的配伍性能良好，可与石墨烯粉体中添加的十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮第一助剂互溶，在均匀分散有所述石墨烯粉体的所述第一混合液和均匀分散有所述铁基金属粉体的所述第二混合液混合之后，所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体分散在含有第一助剂和第二助剂的溶液中，使得所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体在混合过程中分散度更好，从而促进石墨烯粉体和所述铁基金属粉体的混合，使得所述石墨烯粉体均匀混合在所述铁基金属粉体混中。
在一实施例中，所述第二助剂还可以包括聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种或多种，聚乙烯醇或聚乙二醇含有大量羟基使其具备可溶胀的物理特性和可交联的化学特性，且能有效地降低铁基金属粉体与第二分散剂界面的自由能，从而促进所述铁基金属粉体在所述第二分散剂中的充分混合和分散。同样地，所述聚乙烯醇或所述聚乙二醇与所述第一分散剂和所述第一助剂配伍性能良好，所述第一助剂和所述第二助剂相互配合，能够促进所述第一混合液和所述第二混合液混合后的所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体的混合均匀度。
优选的，所述第二助剂还可以包括聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)。聚乙烯吡咯烷酮为两亲性化合物，聚乙烯吡咯烷酮的吡咯烷酮基团为亲水基团，主链为碳-碳键的疏水性链段，能够溶于水和有机溶剂中，聚乙烯吡咯烷酮在所述铁基金属粉体的分散过程中能够作为表面活性剂，所述碳-碳键的疏水性链段可以包覆所述铁基金属粉体，防止所述铁基金属粉体粒子发生团聚，利用聚乙烯吡咯烷酮的配位、机械阻聚作用，实现铁基金属粉体的均匀化分散。同样地，所述聚乙烯吡咯烷酮与所述第一分散剂和所述第一助剂配伍性能良好，所述第一助剂和所述第二助剂相互配合，能够促进所述第一混合液和所述第二混合液混合后的所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体的混合均匀度。
在一实施例中，所述第一分散剂和所述第二分散剂中的至少一种包括水，所述第二助剂N-烷基二甲基胺乙内酯及N-烷基二羟乙基氧化胺在水溶液中能够容易的电离为带正电基团和带负电基团，有利于发挥助分散的作用。
在一实施例中，所述第二助剂的含量可以为所述铁基金属粉体含量的0.05％～0.5％。所述第一助剂的含量可以为所述石墨烯粉体含量的50％～80％。所述第一助剂和所述第二助剂在该含量范围内，使得所述第一助剂和所述第二助剂分别在所述第一混合液中促进所述石墨烯粉体的分散以及在所述第二混合液中促进所述铁基金属粉体的分散，并且所述第一混合液和所述第二混合液混合之后，该含量的所述第一助剂、所述第二助剂及分散剂相互配合，使得混合后的溶液具有合适的粘度和浸润性，使得所述第一助剂和所述第二助剂更好地发挥协同作用，相互配合共同提高所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体的分散均匀性。
在一实施例中，所述提供第二混合液的步骤可以包括将所述第二分散剂、所述第二助剂和所述铁基金属粉体进行超声处理。所述超声处理的温度可以为60℃～90℃。所述超声处理的时间可以为30min～150min。
在步骤S30中，通过球磨可以使石墨烯粉体与铁基金属粉体充分混合，同时使第一助剂与第二助剂充分结合，从而使石墨烯均匀分散在铁基金属粉体中。所述球磨工艺优选为低温球磨，所述低温球磨的温度可以为-80℃～-160℃。在该温度范围内，所述球磨效果更好，不会由于球磨产热而破坏所述石墨烯粉体和所述铁基金属粉体材料本身的性质。所述球磨时间可以为5h～25h，所述磨球材质可以为硬质合金球，球料比可以为(20～30):1。
所述干燥处理的步骤可以为对所述第一混合液和所述第二混合液混合后的总混合液进行加热处理，所述加热的温度可以为25℃～50℃。通过加热处理使得所述第一分散剂和第二分散剂挥发。
优选的，所述干燥处理的步骤可以包括：将所述总混合液在40℃～50℃进行搅拌，直至去除部分所述第一分散剂及第二分散剂而形成浆料，所述浆料状态的总混合液中的溶剂的质量百分含量优选为浆料总重量的5％～20％；以及将所述浆料进行真空干燥，全部去除所述浆料中的分散剂。通过先进行部分干燥，后进行真空彻底干燥的分步干燥过程，能够避免所述铁基金属粉体和石墨烯粉体在长时间有氧环境的加热干燥过程中被氧化，从而使得铁基金属粉体和石墨烯粉体的性能不被破坏。
在一实施例中，所述真空干燥的温度可以为80℃～100℃。在该温度范围内，能够加快所述第一分散剂及第二分散剂的挥发速度，保证分散剂和助剂从所述混合粉体中彻底去除，有利于提高进一步的热等静压的工艺质量。
在步骤S40中，所述抽真空除气处理的步骤可以包括：
将装载有所述混合粉体的所述包套抽真空至所述包套内的真空度为小于或等于1.0×10-2Pa；以及
对装载有所述混合粉体的所述包套在所述真空度下进行加热，所述加热的温度为300℃～900℃。
采用先抽真空再加热处理的步骤有利于保证抽真空除气处理的彻底性以及在此过程中所述混合粉体的性质不受影响。
在步骤S50中，通过将所述混合粉体放置到密闭的包套中，向装载有所述混合粉体的包套施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，使得所述混合粉体得以烧结和致密化形成石墨烯铁基复合材料。所述包套的材料可以选自金属或玻璃。所述加压介质可以采用氮气、氩气等惰性气体。
在一实施例中，所述热等静压的温度可以为900℃～1100℃。所述热等静压的压强可以为120MPa～140MPa。所述热等静压处理时间可以为2小时～5小时。采用热等静压的粉体成型工艺，所述温度、压强和时间相互配合，可得到完全致密化的石墨烯铁基复合材料，有利于消除石墨烯铁基复合材料内部孔隙和降低内部疏松，避免晶粒过度长大，从而提高石墨烯铁基复合材料的机械性能。通过热等静压的方法实现粉体成型，简化了工艺步骤，有利于降低多步骤工艺过程中铁基金属粉体和石墨烯的氧化程度。
在步骤S60中，优选的，可以进一步包括：将所述石墨烯铁基复合材料和所述包套分离之前，将装载有所述石墨烯铁基复合材料的包套冷却至20℃～35℃的步骤。通过先冷却再将所述包套去除的处理步骤，能够避免所述包套去除后的所述石墨烯铁基复合材料在高温环境中被空气氧化而影响石墨烯铁基复合材料的性能。
在一实施例中，还可以进一步包括：将所述石墨烯铁基复合材料与所述包套分离之后，对所述石墨烯铁基复合材料进行等温模锻的步骤，所述等温模锻的温度可以为850℃～1050℃，速率可以为0.005mm/min至0.05mm/min。通过等温模锻可以将所述石墨烯铁基复合材料塑形，有利于提高所述石墨烯铁基复合材料的精度和质量。
在一实施例中，步骤S60之后，还可以包括：将所述石墨烯铁基复合材料进行轧制的步骤，通过轧制使得所述石墨烯铁基复合材料形成片状，有利于石墨烯铁基复合材料的应用。所述轧制的温度可以为900℃～1300℃。所述轧制厚度可以根据所述石墨烯铁基复合材料的具体应用进行确定。
实施例1
提供如下质量的石墨烯粉体和雾化球形铁基金属粉体：在石墨烯粉体和铁基金属粉体总重量中，石墨烯粉体占0.3％。雾化球形铁基金属粉体的元素组成为：占石墨烯粉体和铁基金属粉体总重量1％的非石墨类碳，1.5％的Cr，0.4％的Mn，，0.2％的Si，不超过0.2％的Cu，不超过0.3％的Ni，不超过0.035％的P，不超过0.03的S，余量为铁。雾化球形铁基金属粉体的D90粒径为20μm～30μm，石墨烯粉体的片径为15μm～20μm。
(1)将乙醇水溶液升温至80～85℃，并在溶液中加入十二烷基苯磺酸钠，再将石墨烯粉体在含有十二烷基苯磺酸钠的乙醇水溶液中超声70～80min得到第一混合液。十二烷基苯磺酸钠含量为石墨烯粉体含量的65％。
(2)将雾化球形铁基金属粉体倒入含有N-烷基二甲基胺乙内酯的乙醇水溶液中，将溶液加热到70～80℃，超声80～90min得到第二混合液。溶液中N-烷基二甲基胺乙内酯添加量为石墨烯粉体含量的25～30％。
(3)将第一混合液滴入第二混合液中，继续超声并机械搅拌60～70min，得到混合石墨烯粉体和铁基金属粉体的总混合液。
(4)将总混合液进行高能球磨10～15h，磨球材质为硬质合金球，球料比为25:1，球磨后转移到真空烘干箱中进行彻底干燥处理得到混合粉体。
(5)将干燥后的混合粉体装入圆柱形钢包套中，抽真空至真空压强为1×10-2Pa后，加热到800～900℃，保温6～7h，冷却到室温后焊接钢包套封口密封。
(6)将封好的钢包套在1000～1100℃，压力为160～170MPa进行热等静压处理3～4h，使混合粉体形成复合材料坯体，冷却到室温后将钢包套与复合材料坯体分离。
实施例2
实施例2与实施例1的基本相同，不同之处仅在于步骤(2)中同时加入聚乙二醇，即将步骤(2)替换为：将雾化球形铁基金属粉体倒入含有N-烷基二甲基胺乙内酯和聚乙二醇的乙醇水溶液中，将溶液加热到70～80℃，超声80～90min得到第二混合液。溶液中N-烷基二甲基胺乙内酯添加量为石墨烯粉体含量的25～30％，聚乙二醇的添加量为石墨烯粉体含量的25～30％。
实施例3
实施例3与实施例1的基本相同，不同之处仅在于步骤(2)同时加入聚乙烯吡咯烷酮，即将步骤(2)替换为：将雾化球形铁基金属粉体倒入含有N-烷基二甲基胺乙内酯和聚乙烯吡咯烷酮的乙醇水溶液中，将溶液加热到70～80℃，超声80～90min得到第二混合液。溶液中N-烷基二甲基胺乙内酯添加量为石墨烯粉体含量的25～30％，聚乙烯吡咯烷酮的添加量为石墨烯粉体含量的25～30％。
实施例4
实施例4与实施例1的基本相同，不同之处仅在于将步骤(1)的十二烷基苯磺酸钠替换为等质量的聚乙烯吡咯烷酮。
实施例5
实施例5与实施例1的基本相同，不同之处仅在于雾化球形钢材粉体的D90粒径为90μm～100μm。
对比例1
对比例1与实施例1的基本相同，不同之处仅在于不使用任何第一助剂，即将步骤(1)替换为：将乙醇水溶液升温至80～85℃，再将石墨烯粉体在乙醇水溶液中超声70～80min得到第一混合液。
对比例2
对比例2与实施例1的基本相同，不同之处仅在于不使用任何第二助剂，即将步骤(2)替换为：将雾化球形铁基金属粉体倒入乙醇水溶液中，将乙醇溶液加热到70～80℃，超声80～90min得到第二混合液。
对比例3
对比例3与实施例1的基本相同，不同之处仅在于不使用任何第一助剂和第二助剂，即将步骤(1)替换为：将乙醇水溶液升温至80～85℃，再将石墨烯粉体在乙醇水溶液中超声70～80min得到第一混合液；将步骤(2)替换为：将雾化球形铁基金属粉体倒入乙醇水溶液中，将乙醇溶液加热到70～80℃，超声80～90min得到第二混合液。
表1石墨烯铁基复合材料的机械性能
Figure BDA0002006934780000121
实施例和对比例均在相同条件下进行抗弯强度、硬度和冲击强度的测试。从表1可以看出，与未加入助剂的分散体系相比较，通过在石墨烯粉体分散体系中加入十二烷基苯磺酸钠或聚乙烯吡咯烷酮，以及在铁基金属粉体的分散体系中加入N-烷基二甲基胺乙内酯而制备的石墨烯铁基复合材料在抗弯强度、硬度和冲击韧性方面的机械性能都大幅度提高。并且，十二烷基苯磺酸钠或聚乙烯吡咯烷酮和N-烷基二甲基胺乙内酯相互配合，协同促进石墨烯粉体和铁基金属粉体的均匀分散。同时，聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮与N-烷基二甲基胺乙内酯共同作用，提高雾化球形钢材粉体的分散度。雾化球形钢材粉体的粒径和石墨烯粉体的片径尺寸相互匹配，有利于得到机械性能更好的石墨烯铁基复合材料。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种石墨烯铁基复合材料的制备方法，包括：
提供第一混合液，所述第一混合液包括第一分散剂、第一助剂和石墨烯粉体；
提供第二混合液，所述第二混合液包括第二分散剂、第二助剂和铁基金属粉体；
将所述第一混合液和所述第二混合液混合后进行球磨并干燥处理得到混合粉体；
将所述干燥处理后的所述混合粉体装载于包套中进行抽真空除气处理并将所述包套密封；
将装载有所述混合粉体的密封包套进行热等静压处理，使得所述混合粉体形成复合材料坯体；以及
将所述复合材料坯体与所述包套分离，
其中，所述第一助剂包括十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，所述第二助剂包括N-烷基二甲基胺乙内酯及N-烷基二羟乙基氧化胺中的一种或多种，所述第一分散剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基-2-吡咯烷酮中的一种或多种，所述第二分散剂包括水、乙醇、甲醇及异丙醇中的一种或多种，所述第一分散剂和所述第二分散剂中的至少一种包括水，所述第一助剂的含量为所述石墨烯粉体含量的50％～80％，所述第二助剂的含量为所述铁基金属粉体含量的0.05％～0.5％；所述石墨烯粉体的片径为2μm～20μm，所述铁基金属粉体为雾化球形铁基金属粉体，所述雾化球形铁基金属粉体的粒径为10μm～100μm。
2.根据权利要求1所述的石墨烯铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第二助剂还包括聚乙二醇及聚乙烯醇中的一种或多种。
3.根据权利要求1-2任一项所述的石墨烯铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第二助剂还包括聚乙烯吡咯烷酮。
4.根据权利要求1所述的石墨烯铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述提供第一混合液的步骤包括将所述第一分散剂、所述第一助剂和所述石墨烯粉体混合后在60℃～100℃下超声处理。
5.根据权利要求1所述的石墨烯铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述提供第二混合液的步骤包括将所述第二分散剂、所述第二助剂和所述铁基金属粉体混合后在60℃～90℃下超声处理。
6.根据权利要求1所述的石墨烯铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述抽真空除气处理的步骤包括：
将装载有所述混合粉体的所述包套抽真空至所述包套内的真空度为小于或等于1.0×10-2Pa；以及
对装载有所述混合粉体的所述包套在所述真空度下进行加热，所述加热的温度为300℃～900℃。
7.根据权利要求1所述的石墨烯铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述热等静压的温度为900℃～1100℃，所述热等静压的压强为120MPa～140MPa。
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