一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法與流程

本發明涉及一種復合材料的制備方法，具體講涉及一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法。

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，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材料的制備方法主要有兩種：熔融鑄造法和粉末冶金法。例如，采用熔融鑄造法制備石墨烯/銅復合材料時，由于石墨烯與銅二者密度差異大，石墨烯很難在銅合金液內部均勻分散，此外，二者在材料制備過程中很可能發生高溫界面反應，降低材料性能，因此石墨烯/銅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/銅復合材料時，首先需要獲得石墨烯和銅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/銅復合塊體材料，最大限度地抑制傳統熔融鑄造法帶來的高溫界面反應。因此，石墨烯/銅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。

對于金屬基復合材料來說，增強相在金屬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。因此，石墨烯在金屬基體中的均勻分散如何實現，是制備石墨烯/金屬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/金屬復合材料時，如何獲得石墨烯在金屬粉體中均勻分散的混合粉體，是制備高品質石墨烯/金屬復合材料的前提和基礎。

技術實現要素：

為了克服現有技術的上述不足，本發明提供了一種石墨烯與金屬粉體混合的新方法，可實現石墨烯與金屬粉體的均勻混合。

本發明的目的是采用以下技術方案實現的：

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)稱取石墨烯和-200+400目的銅合金粉末；

(2)所述石墨烯在酒精溶液中超聲分散0.5～1.0h，得到石墨烯/酒精混合溶液；

(3)將銅合金粉末分批加入所述石墨烯/酒精混合溶液中，轉速100～500r/min，溫度40～60℃下，混合1～2h，得到半固態糊狀的石墨烯/銅合金混合粉體；

(4)50～60℃下，干燥所述半固態糊狀的石墨烯/銅合金混合粉體2～3h；

(5)碾壓步驟(4)得到的石墨烯/銅合金混合粉得到無板結團聚的混合粉末；

銅合金按質量百分比計含下述組份：鋁：7.5～8.5％；鐵：2.5～3.0％；磷：1.5～2％；稀土：0.1～0.3％；鎳：1～2％；余量為銅。

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法的第一優選方案，鋁：7.5％；鐵：2.5％；磷：1.5％；稀土：0.1％；鎳：1％。

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法的第二優選方案，鋁：8.5％；鐵：3.0％；磷：2％；稀土：0.3％；鎳：2％。

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法的第三優選方案，鋁：8.0％；鐵：2.8％；磷：1.8％；稀土：0.2％；鎳：1.5％。

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法的第四優選方案，步驟(1)中，石墨烯占所述復合裝甲材料總質量的0.5～1.0％。

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法的第五優選方案，步驟(2)中，超聲分散采用超聲細胞粉碎儀；10層以下的石墨烯占60-70％。

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法的第六優選方案，步驟(3)中，分批加入的速度是100～150g/10min。

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法的第七優選方案，步驟(4)中，干燥用酒精冷凝回收裝置。

一種石墨烯復合裝甲材料的制備方法的第八優選方案，步驟(5)中，碾壓時間為2～3h。

和最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下優異效果：

(1)本發明提供的制備方法，石墨烯在金屬粉體中的均勻分散性良好。

(2)本發明提供的方法制備過程簡單，工藝可調可控。材料制備成本較低，適合工業化生產，市場前景良好。

附圖說明

圖1為銅合金粉體的電鏡圖；

圖2為石墨烯與銅合金粉體均勻混合的電鏡圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例作進一步詳細說明，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例1：

(1)對銅合金粉(-200+400目)和石墨烯(石墨烯占石墨烯復合裝甲材料總質量的0.5％)分別進行取料，稱重；

(2)將石墨烯置于燒杯中，倒入酒精后在超聲細胞粉碎儀中進行超聲分散0.5h；

(3)將銅合金粉末分批(100g/10min)加入到超聲分散好的石墨烯/酒精溶液中，在轉速100r/min，加熱溫度40℃的控溫電動攪拌器中混合1h，獲得半固態糊狀的石墨烯/銅合金混合粉體；

(4)將半固態糊狀的石墨烯/銅合金混合粉體置于酒精冷凝回收裝置中進行烘干，直至粉體中的酒精完全被冷凝回收，得到干燥的石墨烯/銅合金混合粉體。烘干溫度50℃，烘干時間2h；

(5)將干燥后的石墨烯/銅合金混合粉末用專用工裝碾壓2h得到無板結團聚的混合粉末。

按質量百分比計，銅合金由下述組分組成：鋁：7.5％；鐵：2.5％；磷：1.5％；稀土：0.1％；鎳：1％；余量為銅。

實施例2：

(1)對銅合金粉(-200+400目)和石墨烯(石墨烯占石墨烯復合裝甲材料總質量的1％)分別進行取料，稱重；

(2)將石墨烯置于燒杯中，倒入酒精后在超聲細胞粉碎儀中進行超聲分散1h；

(3)將銅合金粉末分批(150g/10min)加入到超聲分散好的石墨烯/酒精溶液中，在轉速500r/min，加熱溫度60℃的控溫電動攪拌器中混合2h，獲得半固態糊狀的石墨烯/銅合金混合粉體；

(4)將半固態糊狀的石墨烯/銅合金混合粉體置于酒精冷凝回收裝置中進行烘干，直至粉體中的酒精完全被冷凝回收，得到干燥的石墨烯/銅合金混合粉體。烘干溫度60℃，烘干時間3h；

(5)將干燥后的石墨烯/銅合金混合粉末用專用工裝碾壓3h得到無板結團聚的混合粉末。

按質量百分比計，銅合金由下述組分組成：鋁：8.5％；鐵：3.0％；磷：2％；稀土：0.3％；鎳：2％；余量為銅。

實施例3：

(1)對銅合金粉(-200+400目)和石墨烯(石墨烯占石墨烯復合裝甲材料總質量的0.8％)分別進行取料，稱重；

(2)將石墨烯置于燒杯中，倒入酒精后在超聲細胞粉碎儀中進行超聲分散1h；

(3)將銅合金粉末分批(120g/10min)加入到超聲分散好的石墨烯/酒精溶液中，在轉速300r/min，加熱溫度50℃的控溫電動攪拌器中混合1.5h，獲得半固態糊狀的石墨烯/銅合金混合粉體；

(4)將半固態糊狀的石墨烯/銅合金混合粉體置于酒精冷凝回收裝置中進行烘干，直至粉體中的酒精完全被冷凝回收，得到干燥的石墨烯/銅合金混合粉體。烘干溫度550℃，烘干時間2.5h；

(5)將干燥后的石墨烯/銅合金混合粉末用專用工裝碾壓2.5h得到無板結團聚的混合粉末。

按質量百分比計，銅合金由下述組分組成：鋁：8.0％；鐵：2.8％；磷：1.8％；稀土：0.2％；鎳：1.5％，余量為銅。

上述實施例中，10層以下的石墨烯占總體的60-70％。

從圖1結合圖2可以看出，本發明提供的技術方案，使用超聲分散法分散石墨烯，利用酒精為超聲分散介質，通過混合、干燥和碾壓等簡單工藝操作，制得無板結團聚的石墨烯/銅合金混合粉末，石墨烯在金屬粉體中的均勻分散性良好。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員應當理解，參照上述實施例可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求保護范圍之內。