一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料的制作方法

文檔序號：11506956閱讀：601來源：國知局

本發明涉及一種復合材料的制備方法及裝置，具體涉及一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料。

背景技術：

石墨烯是一種由碳原子構成的二維納米材料，呈單層片狀結構(厚度僅為幾個納米)。由于其獨特的二維蜂窩晶體結構和極高的鍵強度，石墨烯是目前已知的世界上比強度最高、最堅硬的納米材料，其斷裂強度高達130gpa。因此，利用石墨烯的高強度，并將其與金屬材料復合，制備成石墨烯金屬復合材料，是一種新型的高強高韌金屬基復合材料。

目前石墨烯與金屬復合的工藝方法主要有兩種：熔融鑄造法和粉末冶金法。采用熔融鑄造法制備石墨烯鋁復合材料時，由于石墨烯二者密度差異大，石墨烯很難在鋁液內部均勻分散，此外，二者在材料制備過程中還有可能發生高溫界面反應，生成al4c3脆性相，惡化材料性能。因此石墨烯鋁復合材料較少采用熔融鑄造法來制備。采用粉末冶金法制備石墨烯鋁復合材料時，需要首先獲得石墨烯和鋁合金均勻混合的粉體，然后通過后續的壓力加工來制備石墨烯鋁復合塊體材料，最大限度地抑制了傳統熔融鑄造法帶來的高溫界面反應。因此，石墨烯鋁復合材料一般采用粉末冶金法來制備。

目前，輕型裝甲車一直采用鋼制防彈裝甲，武裝直升飛機采用鈦合金防彈裝甲。但是未來戰爭對陸軍的遠程投送能力、武裝直升飛機的有效載荷能力都提出越來越高的要求，這就對裝備重量提出了嚴苛要求，使得以前使用的鋼制裝甲和鈦合金裝甲已不能滿足未來武器裝備發展的需要。因此需要提供一種密度低，成本低，易批量生產的復合裝甲材料。

對于鋁基復合材料來說，增強相在鋁基體中的分布是否均勻、增強相是否發生團聚、界面結合是否緊密，直接決定著復合材料性能的優劣。石墨烯存在尺寸小，比表面積大，很難分散，很容易團聚的問題，因此，石墨烯在鋁基體中的均勻分散如何實現，是制備石墨烯鋁復合材料需要突破的關鍵技術。尤其是采用粉末冶金法制備石墨烯鋁復合材料時，如何獲得石墨烯在鋁合金粉體中均勻分散的混合粉體，是制備高品質石墨烯鋁復合材料的前提和基礎。

技術實現要素：

為克服現有技術存在的上述缺陷，本發明提供了一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料，該方法及裝置對石墨烯與鋁和/或鋁合金粉末混合進行改進，是一種新的工藝和方法，本方法及裝置可將石墨烯納米片均勻地包覆在金屬粉體的表面，實現石墨烯與金屬粉體的均勻混合。

為實現上述發明目的，本發明采取的技術方案為：

一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料，其特征在于，所述鋁合金包括按質量百分比的下述組分：cu，3.8～4.9％；mg，1.2～1.8％；si，0.5％；ti，0.15％；fe，0.5％；zn，0.25％；mn，0.30～0.90％；cr，0.10％；余量為al和不可避免的雜質。

進一步地，所述鋁合金包括按質量百分比的下述組分：cu，2.0～2.6％；mg，1.9～2.6％；si，0.12％；ti，0.06％；fe，0.15％；zn，5.7～6.7％；mn，0.1％；cr，0.04％；zr，0.08～0.15％；余量為al和不可避免的雜質。

進一步地，所述鋁合金包括按質量百分比的下述組分：cu2.5％。

進一步地，所述鋁合金包括按質量百分比的下述組分：mg2.0％。

進一步地，所述鋁合金包括按質量百分比的下述組分：zn6.0％。

進一步地，所述鋁合金包括按質量百分比的下述組分：zr0.1％。

一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料制備方法，該材料制備方法的步驟如下：

1)制備石墨烯層數小于10的納米片有機溶液：于7000～9000rpm轉速、線速度85～115m/s下的離心納米分散機中，對分散于有機溶液的石墨烯進行處理；

2)石墨烯包覆鋁和/或鋁合金粉末：用花灑網眼尺寸為60～280μm的噴淋裝置將步驟1)的石墨烯納米片有機溶液霧化噴灑于在混合機中高速旋轉的鋁和/或鋁合金粉末上；

3)于混合機中對包覆后的石墨烯/鋁合金粉末混合20～100min，即得石墨烯/鋁合金復合裝甲材料。

進一步地，所述方法制備的石墨烯包覆的鋁合金粉末中，按質量百分數計含：石墨烯0.05％～9％，鋁和/或鋁合金91％～99.95％；所述鋁和/或鋁合金粉末的粒徑為10～100μm；7所述花灑網眼尺寸為100μm～200μm。

進一步地，所述離心納米分散機的轉速為8000rpm，線速度為100m/s。所述混合機的轉速為1000rpm。

進一步地，所述納米片有機溶液中的有機溶劑為包括乙醇、npm、聚乙二醇和/或pvp中的一種或多種，所述有機溶劑的濃度為20％～100％。

進一步地，所述納米片有機溶液中的有機溶劑為無水乙醇。

與最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下有益效果：

1、本發明提供的一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料，實現了石墨烯在鋁合金粉體表面的包覆，有利于在石墨烯金屬復合材料中形成高質量的石墨烯金屬界面結合。

2、本發明提供的一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料的制備方法，石墨烯不容易發生團聚，無二次團聚和重新凝固分散的現象。

3、本發明提供的一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料，無需凝固、無需碾壓，避免形成板結或團聚。

4、本發明提供的一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料，無需振動和篩分，從而避免了由此帶來的石墨烯和鋁合金粉末的分布不均。

5、本發明提供的一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料，工藝操作簡單、制造成本低廉、生產效率高。

6、本發明提供的一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料，無需加熱也無需烘干，使石墨烯更好的在鋁合金粉體表面包覆，即環保安全，又縮短制備周期。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料的制備裝置的離心納米分散機結構示意圖；

圖2為本發明實施例制得的石墨烯/鋁合金復合裝甲材料的掃描電鏡(sem)；

圖3為本發明對比例制得的石墨烯/鋁合金復合裝甲材料的掃描電鏡(sem)。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明進行詳細的說明。

實施例1

本實施例提供一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料的制備裝置，該制備裝置包括離心納米分散機，具有研磨室(9)和筒體(1)，筒體(1)內裝有需要解聚分散的納米材料(2)和磨介(3)，筒體(1)上設有漿料進口(10)，漿料進口(10)與研磨室(9)相連，筒體(1)內設有攪拌裝置(6)，其特征在于：還包括管道(7)和蠕動泵(8)，管道(7)插入筒體(1)內，管道(7)的管口靠近筒體(1)底部，管道(7)的管口扎有第一濾網(11)，第一濾網(11)的網格的尺寸小于磨介(3)的直徑。

實施例2：

本實施例提供一種石墨烯/鋁合金復合裝甲材料的制備方法，具體步驟如下：

石墨烯包覆鋁合金粉末包括如下重量份計的組分：石墨烯0.05％，鋁合金99.95％。石墨烯可以由hummer’s法制備。鋁合金為按質量百分比的下述組分：cu，2.4％；mg，1.9％；si，0.12％；ti，0.06％；fe，0.15％；zn，5.7％；mn，0.1％；cr，0.04％；zr，0.1％；余量為al和不可避免的雜質；鋁合金粉末的粒徑為10μm。

1)將石墨烯在濃度為95％的酒精溶液中超聲分散后，然后置于轉速為9000rpm，線速度為115m/s的離心納米分散機中，得到離心分散后的石墨烯酒精溶液，所述石墨烯酒精溶液中石墨烯納米片層數在10層以下的占全部石墨烯納米片的90％以上；

2)將所述石墨烯納米片有機溶液在壓力下通過花灑網眼尺寸60μm的噴淋裝置霧化成小液滴，均勻地灑向在1000rpm的高效混合機中旋轉的鋁和/或鋁合金粉末；其中，可以通過冷凝回收裝置回收揮發溶劑，也可以通過其他方式實現回收和再利用，這里不做具體限定。

3)石墨烯酒精溶液全部噴灑完成后，保持高效混合機繼續運行20min；

4)將混合均勻的石墨烯包覆鋁合金的粉末從高效混合機中取出。

實施例3：

石墨烯包覆鋁合金粉末包括如下重量份計的組分：石墨烯9％，鋁合金91％％。鋁合金為按質量百分比的下述組分：cu，2.0％；mg，2.3％；si，0.12％；ti，0.06％；fe，0.15％；zn，6％；mn，0.1％；cr，0.04％；zr，0.15％；余量為al和不可避免的雜質。鋁合金粉末的粒徑為100μm。

1)將石墨烯在濃度為95％的酒精溶液中超聲分散后，然后置于轉速為8000rpm，線速度為100m/s的離心納米分散機中，得到離心分散后的石墨烯酒精溶液，所述石墨烯酒精溶液中石墨烯納米片層數在10層以下的占全部石墨烯納米片的90％以上；

2)將所述石墨烯納米片有機溶液在壓力下通過花灑網眼尺寸280μm的噴淋裝置霧化成小液滴，均勻地灑向在1000rpm的高效混合機中旋轉的鋁和/或鋁合金粉末；

3)石墨烯酒精溶液全部噴灑完成后，保持高效混合機繼續運行40min；