CN110453113A - 一种氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法 - Google Patents

一种氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法,包括以下步骤:采用液态分散技术先制备氧化铯改性石墨烯质量占比含量为2‑10%的石墨烯铝合金粉预制块,然后添加到铝合金熔体中,熔化后,采用机械搅拌速率为50‑150 rpm搅拌分散1‑3 min后,在650‑700℃条件下,采用浇铸工艺制备了质量占比含量为0.1‑1%的氧化铯改性石墨烯增强的铝合金复合材料。本发明可有效改善石墨烯在铝基体中的均匀分散性、避免石墨烯被铝腐蚀、并提高石墨烯与铝的界面结合质量、晶粒细化组织,对铝基复合材料力学性能的提高较明显,适于工业化制备轻质高强石墨烯‑铝合金复合材料。

Description

一种氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法
技术领域
本发明属于金属复合材料制备领域,特别涉及铝合金复合材料的制备方法。
背景技术
铝基复合材料具有比基体更高的强度、硬度和较低的热膨胀系数等优势,使其在汽车、航空航天、建筑等领域得到了广泛的应用。如何开发轻质高强高韧铝合金复合材料,是目前金属基复合材料领域中的研究热点。石墨烯具有优异的导电、导热性能、和超强的力学性能。因此,被认为是铝合金优异的增强体。然而,石墨烯与许多金属材料的界面结合弱,尤其是与铝基体界面结合差。又因为石墨烯与铝基体的密度相差较大,使得熔炼过程中,石墨烯极容易上浮,难于均匀分散在铝熔体中,并最终形成均匀分散。此外,温度过高时,铝与石墨烯会发生反应,生成碳化铝脆性相,进而损伤石墨烯的晶体结构,导致强化效果变差。鉴于此,要制备性能较优异的石墨烯增强铝合金复合材料,必须要解决以下两个关键问题:(1)将石墨烯均匀的分散到铝基体中;(2)石墨烯与铝基体形成强界面结合。对石墨烯表面进行表面包覆氧化铯(CeO2,密度为4.65 g/cm3)改性处理,将能增加增强体的密度,实现石墨烯在铝熔体中的均匀分散。此外,CeO2与铝基体界面结合较好,细化铝基体的晶粒组织,是铝基复合材料的有效增强体。因此,在石墨烯表面包覆一层CeO2,将能有效的改善石墨烯与铝基体的界面结合质量,细化铝基体的晶粒组织,最终提高铝基复合材料的力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法,包括以下步骤。
(1)氧化铯改性石墨烯预分散:按0.5-3g/L浓度比例,将氧化铯改性石墨烯加入到乙醇,超声0.1-1h得到均匀分散的增强体混合液。
(2)按氧化铯改性石墨烯与铝合金粉的质量比为2-10:98-90的比例,将粒度小于325目的铝合金加入到步骤(1)所得混合液中,机械搅拌0.1-1h后得到氧化铯改性石墨烯与铝合金粉均匀混合的混合液。
(3)对步骤(2)所得混合液过滤后真空干燥获得氧化铯改性石墨烯与铝合金粉混合均匀的复合粉末。
(4)将步骤(3)所得复合粉末,采用50-150MPa压力制得分散均匀的氧化铯改性石墨烯预制块,并预热至50-80℃备用。
(5)铝合金复合材料的制备:按氧化铯改性石墨烯添加质量占复合材料总质量为0.1-1%的比例配置铝合金料,将其加入到预热温度为100-150℃的石墨坩埚中,继续加热,待温度升温至700-780℃,炉料全部熔化后,静置3-5 min,去除熔体表面熔渣,获得铝合金熔液。
(6)将步骤(5)所得铝合金熔液的温度升至680-740℃后,加入步骤(4)预热好氧化铯改性石墨烯预制块,待熔化后,降温至650-670℃,采用机械搅拌器,对复合材料熔体进行机械搅拌分散,搅拌速率为50-150 rpm,搅拌时间为1-3 min,得到氧化铯改性石墨烯分散均匀的复合材料熔体。
(7)将步骤(6)所得复合材料熔体温度调至650-700℃,去除熔体表面熔渣,静置1-5 min后,浇入温度为100-150℃的钢制模具中,得到氧化铯改性石墨烯增强的铝合金复合材料。
本发明可有效改善石墨烯在铝基体中的均匀分散性、避免石墨烯被铝腐蚀、并提高石墨烯与铝的界面结合质量、晶粒细化组织,对铝基复合材料力学性能的提高较明显,适于工业化制备轻质高强石墨烯-铝合金复合材料。
附图说明
图1为本发明所用氧化铯改性石墨烯的TEM形貌。
图2为本发明制备的ZL101合金显微组织。
图3为本发明实施例1条件下制备的含量为0.1 wt.% 氧化铯改性石墨烯增强的ZL101铝基复合材料显微组织。
具体实施方式
本发明将结合附图,通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
(1)氧化铯改性石墨烯预分散:按1.0 g/L浓度比例,将氧化铯改性石墨烯加入到乙醇,超声0.5h得到均匀分散的增强体混合液。
(2)按氧化铯改性石墨烯与铝合金粉的质量比为5:95的比例,将粒度小于325目的铝合金加入到步骤(1)所得混合液中,机械搅拌0.5h后得到氧化铯改性石墨烯与铝合金粉均匀混合的混合液。
(3)对步骤(2)所得混合液过滤后真空干燥获得氧化铯改性石墨烯与铝合金粉混合均匀的复合粉末。
(4)将步骤(3)所得复合粉末,采用100MPa压力制得分散均匀的氧化铯改性石墨烯预制块,并预热至80℃备用。
(5)铝合金复合材料的制备:按氧化铯改性石墨烯添加质量占复合材料总质量为0.1%的比例配置铝合金料,将其加入到预热温度为100℃的石墨坩埚中,继续加热,待温度升温至750℃,炉料全部熔化后,静置3 min,去除熔体表面熔渣,获得铝合金熔液。
(6)将步骤(5)所得铝合金熔液的温度升至700℃后,加入步骤(4)预热好氧化铯改性石墨烯预制块,待熔化后,降温至650℃,采用机械搅拌器,对复合材料熔体进行机械搅拌分散,搅拌速率为100 rpm,搅拌时间为1 min,得到氧化铯改性石墨烯分散均匀的复合材料熔体。
(7)将步骤(6)所得复合材料熔体温度调至650℃,去除熔体表面熔渣,静置2 min后,浇入温度为100℃的钢制模具中,得到氧化铯改性石墨烯增强的铝合金复合材料。
对该复合材料进行力学性能测试,其维氏硬度为85-100HV,屈服强度达220-245MPa,延伸率达7-9%,是一种力学性能优良的复合材料。
实施例2。
所述的氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法,按如下步骤。
(1)氧化铯改性石墨烯预分散:按1.0 g/L浓度比例,将氧化铯改性石墨烯加入到乙醇,超声0.5h得到均匀分散的增强体混合液。
(2)按氧化铯改性石墨烯与铝合金粉的质量比为5:95的比例,将粒度小于325目的铝合金加入到步骤(1)所得混合液中,机械搅拌0.5h后得到氧化铯改性石墨烯与铝合金粉均匀混合的混合液。
(3)对步骤(2)所得混合液过滤后真空干燥获得氧化铯改性石墨烯与铝合金粉混合均匀的复合粉末。
(4)将步骤(3)所得复合粉末,采用100MPa压力制得分散均匀的氧化铯改性石墨烯预制块,并预热至80℃备用。
(5)铝合金复合材料的制备:按氧化铯改性石墨烯添加质量占复合材料总质量为0.3%的比例配置铝合金料,将其加入到预热温度为100℃的石墨坩埚中,继续加热,待温度升温至750℃,炉料全部熔化后,静置3 min,去除熔体表面熔渣,获得铝合金熔液。
(6)将步骤(5)所得铝合金熔液的温度升至700℃后,加入步骤(4)预热好氧化铯改性石墨烯预制块,待熔化后,降温至650℃,采用机械搅拌器,对复合材料熔体进行机械搅拌分散,搅拌速率为100 rpm,搅拌时间为1 min,得到氧化铯改性石墨烯分散均匀的复合材料熔体。
(7)将步骤(6)所得复合材料熔体温度调至650℃,去除熔体表面熔渣,静置2 min后,浇入温度为100℃的钢制模具中,得到氧化铯改性石墨烯增强的铝合金复合材料。
对该复合材料进行力学性能测试,其维氏硬度为95-115 HV,屈服强度达240-273MPa,延伸率达8-11%,是一种力学性能较优异的复合材料。
实施例3。
所述的氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法,按如下步骤。
(1)氧化铯改性石墨烯预分散:按1.0 g/L浓度比例,将氧化铯改性石墨烯加入到乙醇,超声0.5h得到均匀分散的增强体混合液。
(2)按氧化铯改性石墨烯与铝合金粉的质量比为5:95的比例,将粒度小于325目的铝合金加入到步骤(1)所得混合液中,机械搅拌0.5h后得到氧化铯改性石墨烯与铝合金粉均匀混合的混合液。
(3)对步骤(2)所得混合液过滤后真空干燥获得氧化铯改性石墨烯与铝合金粉混合均匀的复合粉末。
(4)将步骤(3)所得复合粉末,采用100MPa压力制得分散均匀的氧化铯改性石墨烯预制块,并预热至80℃备用。
(5)铝合金复合材料的制备:按氧化铯改性石墨烯添加质量占复合材料总质量为0.5%的比例配置铝合金料,将其加入到预热温度为100℃的石墨坩埚中,继续加热,待温度升温至750℃,炉料全部熔化后,静置3 min,去除熔体表面熔渣,获得铝合金熔液。
(6)将步骤(5)所得铝合金熔液的温度升至700℃后,加入步骤(4)预热好氧化铯改性石墨烯预制块,待熔化后,降温至650℃,采用机械搅拌器,对复合材料熔体进行机械搅拌分散,搅拌速率为100 rpm,搅拌时间为1 min,得到氧化铯改性石墨烯分散均匀的复合材料熔体。
(7)将步骤(6)所得复合材料熔体温度调至650℃,去除熔体表面熔渣,静置2 min后,浇入温度为100℃的钢制模具中,得到氧化铯改性石墨烯增强的铝合金复合材料。
对该复合材料进行力学性能测试,其维氏硬度为99-126 HV,屈服强度达254-287MPa,延伸率达9-13%,是一种力学性能优异的复合材料。
图1为本发明所用氧化铯改性石墨烯的TEM形貌。图中显示该石墨烯表面均匀的包覆着许多氧化铯纳米颗粒。
图2为本发明制备的ZL101合金显微组织。图中显示为枝状组织。
图3为本发明实施例1条件下制备的含量为0.1 wt.%氧化铯改性石墨烯增强的ZL101铝基复合材料显微组织。图中显示,该复合材料晶粒组织更均匀,且晶粒尺寸细化较明显。

Claims (1)

1.一种氧化铯改性石墨烯增强铝合金复合材料的方法,其特征是包括以下步骤:
(1)氧化铯改性石墨烯预分散:按0.5-3g/L浓度比例,将氧化铯改性石墨烯加入到乙醇,超声0.1-1h得到均匀分散的增强体混合液;
(2)按氧化铯改性石墨烯与铝合金粉的质量比为2-10:98-90的比例,将粒度小于325目的铝合金加入到步骤(1)所得混合液中,机械搅拌0.1-1h后得到氧化铯改性石墨烯与铝合金粉均匀混合的混合液;
(3)对步骤(2)所得混合液过滤后真空干燥获得氧化铯改性石墨烯与铝合金粉混合均匀的复合粉末;
(4)将步骤(3)所得复合粉末,采用50-150MPa压力制得分散均匀的氧化铯改性石墨烯预制块,并预热至50-80℃备用;
(5)铝合金复合材料的制备:按氧化铯改性石墨烯添加质量占复合材料总质量为0.1-1%的比例配置铝合金料,将其加入到预热温度为100-150℃的石墨坩埚中,继续加热,待温度升温至700-780℃,炉料全部熔化后,静置3-5 min,去除熔体表面熔渣,获得铝合金熔液;
(6)将步骤(5)所得铝合金熔液的温度升至680-740℃后,加入步骤(4)预热好氧化铯改性石墨烯预制块,待熔化后,降温至650-670℃,采用机械搅拌器,对复合材料熔体进行机械搅拌分散,搅拌速率为50-150 rpm,搅拌时间为1-3 min,得到氧化铯改性石墨烯分散均匀的复合材料熔体;
(7)将步骤(6)所得复合材料熔体温度调至650-700℃,去除熔体表面熔渣,静置1-5min后,浇入温度为100-150℃的钢制模具中,得到氧化铯改性石墨烯增强的铝合金复合材料。
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