石墨烯增強鎂基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種石墨烯增強鎂基復合材料及其制備方法，屬于金屬基復合材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著現代高科技科學產業的發展，尤其是航天、航空、電子、汽車、以及先進武器系統的迅速發展，對輕質、高強度結構材料的需求日益強烈。為了克服單一材料在性能上的局限性，復合材料的開發不僅可以滿足各種特殊和綜合性能的要求，也可更經濟地利用材料。金屬基復合材料與傳統的金屬相比，具有更高的比強度和比剛度，其應用領域正在逐步擴大。金屬基復合材料中，鎂基復合材料由于具有輕質的性能優勢，在航空航天和軍事設備中有廣泛的應用前景;然而，欲廣泛應用鎂基復合材料，提高比剛度、比強度等力學性能是制約其應用的重要環節，而解決問題的關鍵就是尋找更加合適的增強相，才能有望將輕質與高強度兩個優勢兼得。
[0003]石墨烯自2004年被發現以來，是繼碳納米管之后的又一熱門新材料，由于具有獨特的薄層二維片層結構，石墨烯具有眾多優異的物理性能和機械性能，如高的楊氏模量(ITPa)、高的斷裂強度(125GPa)、超高的導熱系數(5000Wm—1IT1)和電子迀移率(200000cm2v一1s—1)，被認為是非常理想的金屬基復合材料增強體。同時，也正是由于石墨烯在原子級別的厚度，使得它在自然狀態下極易團聚，優異的性能就會大打折扣。將石墨烯作為增強體來優化輕金屬基復合材料的力學性能，需要解決以下關鍵問題:I)石墨烯自身的分散;2)石墨烯在金屬基體中的原位分散;3)石墨烯與金屬基體間良好的界面結合。
[0004]中國專利文獻(公布號CN104630528A)公開了一種原位還原石墨烯增強鎂基復合材料的制備方法，將氧化石墨烯直接與AZ91鎂合金充分混合，一方面通過鎂元素將氧化石墨烯還原成石墨烯，另一方面石墨烯表層附著的氧化鎂提高石墨烯與鎂合金基體的界面結合。此外，已有的工藝方法還通過引入多種處理劑與改性劑，來實現石墨烯自身分散，如“石墨烯處理劑、石墨烯增強復合體材料及制備方法”(公布號CN104725669A)的發明，借助多種類及多配比的有機溶劑與石墨烯混合，實現石墨烯與金屬基材成形為一體。
[0005]綜上，實現石墨烯在鎂基體中的充分分散是制備石墨烯增強鎂基復合材料的關鍵技術，也是難點所在，現有的制備方法仍出現石墨烯分散不均勻、石墨烯自身結構存在缺陷，以及引入雜質元素等問題;然而，為了獲得分散性良好的石墨烯，通過化學方法引入有機表面處理劑，會帶來后續難除雜及環境不友好等弊端。因此，通過簡單的工藝過程以及環境友好的制備方法，實現石墨烯在鎂基體中的充分分散，獲得石墨烯有效增強鎂基體的復合材料，是當前石墨烯增強鎂基復合材料的主要研究熱點。
【發明內容】
[0006]本發明的技術目的是針對石墨烯在金屬基體中的分散及石墨烯增強復合材料制備工藝中的不足，提供一種石墨烯增強鎂基復合材料的制備方法。該方法在惰性氣氛下將具有一定片層尺寸的石墨烯與純鎂顆粒進行球磨處理，同時實現石墨烯片層的剝離及其與純鎂顆粒的混合;采用超聲分散及機械攪拌工藝，在液相中進一步分散被剝離的石墨烯片層，純鎂顆粒在攪拌過程中插入到石墨烯層間充當間隔物并與石墨烯充分混合。該方法具有工藝過程簡單、環境友好的優點，通過物理手段實現石墨烯在鎂基體中的分散，最終獲得石墨烯增強鎂基復合材料，在航空航天、汽車、電子等對石墨烯增強鎂基復合材料有需求的領域有廣闊的應用前景。
[0007]石墨烯增強鎂基復合材料的制備方法，是通過以下技術方案實現的，其步驟分別為:(I)石墨烯與純鎂顆粒的混合；(2)混合粉末在液相中的超聲分散與干燥處理；(3)石墨烯/純鎂前驅體的制備；(4)石墨烯增強鎂基復合材料的制備。具體步驟及優選工藝條件如下:
[0008](I)石墨烯與純鎂顆粒的固相混合
[0009]將片層尺寸(指的是面層的長寬尺寸)為20?ΙΟΟμπι的石墨烯粉末與粒徑尺寸為10?50μπι的純鎂顆粒進行時間為30?ISOmin的球磨混合，為避免引入雜質元素，球磨過程在惰性氣氛下進行，且球磨罐材質為瑪瑙罐，球磨轉速為200?600rpm;石墨烯在混合粉末中的質量分數為0.1?6wt.%，球料比為(2?15):1;采用球磨處理，不僅實現石墨稀與純鎂粉充分混合，同時也利用球磨的剪切力作用，將石墨烯片層進行一定程度的剝離，達到分散石墨烯的效果；
[0010]所述的石墨烯純度大于99.0wt.%，所述的純鎂顆粒鎂元素含量大于99.0wt.% ;
[0011](2)混合粉末在液相中的超聲分散與干燥處理
[0012]將步驟(I)中球磨處理得到的混合粉末置于乙醇溶劑中進行功率為200?800W、時間為15?120min的超聲分散，同時伴有機械攪拌，目的是將球磨剝離的石墨稀片層在液相溶劑中分散開，與鎂粉顆粒進一步插層混合，使石墨烯片層更徹底地分散在鎂粉顆粒間；隨后，將所得混合溶液進行攪拌加熱去溶劑及真空干燥，攪拌加熱溫度為35?55°C，真空干燥的溫度為35?55 °C，攪拌速率為200?600rpm，獲得石墨烯/純鎂顆粒復合粉末；
[0013](3)石墨烯/純鎂前驅體的制備
[0014]將步驟(2)中得到的石墨烯/純鎂顆粒混合粉末在擠壓模具中預熱至300?500°C，以擠壓比為16?30進行擠壓成型，獲得石墨烯/純鎂前驅體；
[0015](4)石墨烯增強鎂基復合材料的制備
[0016]將金屬或合金基體材料按相應成分質量置入坩禍中加熱熔化至液態，再將步驟
(3)中得到的前驅體預熱至200?400°C后加入到上述金屬或合金熔體中，對熔體加以攪拌后，澆鑄于金屬型模具中，獲得石墨烯增強基復合材料，石墨烯在最終復合材料中的含量為0.08?3wt.% ο
[0017]步驟(4)中所述的金屬或合金為純鎂或鎂合金中的一種，所述的純鎂中鎂元素含量大于99.0wt.%，所述的鎂合金為Mg-Zn、Mg-Al、或Mg-RE系鎂合金。
[0018]本發明所用的制備方法具有如下優點:工藝流程簡單、環境友好，通過固相球磨與液相超聲攪拌結合的物理手段，最終獲得石墨烯在鎂基體中均勻分散的石墨烯增強鎂基復合材料，并有效提升了鎂基復合材料的力學性能，此種石墨烯/鎂基復合材料可作為制備高性能金屬基復合材料的前驅體，具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0019]圖1為實施例2中石墨烯在鎂合金基體中的形貌。箭頭所示為部分裸露在鎂合金基體外的石墨烯片層，表層布滿因發生氧化而產生的氧化鎂顆粒，表明石墨烯與鎂合金基體良好的界面結合。
[0020]圖2為實施例2中鎂合金與同成分鎂合金添加少量石墨烯復合材料拉伸性能曲線對比。
【具體實施方式】
[0021]如下結合具體的實施案例進一步說明本發明，指出的是:以下實施案例只用于說明本發明的具體實施方法，并不能限制本發明權利保護范圍。
[0022]實施例1:
[0023]本實施方式的石墨烯增強純鎂基復合材料的工藝按以下步驟進行:
[0024](I)將片層尺寸為ΙΟΟμπι的石墨稀粉末30g與粒徑尺寸為50μηι的純鎂顆粒470g進行時間為30min的球磨混合，球磨過程在氬氣氣氛下進行，且球磨罐材質為瑪瑙罐，球磨轉速為600rpm;石墨稀在混合粉末中的質量分數為6wt.%，球料比為15:1 ；
[0025](2)將步驟(I)中球磨處理得到的混合粉末置于乙醇溶劑中進行功率為200W、時間為120min的超聲分散，同時伴有機械攪拌;隨后，將所得混合溶液進行攪拌加熱去溶劑及真空干燥，攪拌加熱溫度為35°C，真空干燥的溫度為35°C，攪拌速率為600rpm，獲得石墨烯/純儀顆粒復合粉末；
[0026](3)將步驟(2)中得到的石墨烯/純鎂顆粒混合粉末在擠壓模具中預熱至300°C，以擠壓比為16進行擠壓成型，獲得石墨烯/純鎂基前驅體；
[0027](4)將500g純鎂塊(成分為0.005wt.%Al、0.001wt.%Zn、0.01wt.%Mn、0.01wt.%S1、余量為Mg)置入坩禍中加熱熔化至液態，再將500g前驅體預熱至200°C并加入到上述熔體中，對熔體加以攪拌后，澆鑄于金屬型模具中，獲得石墨烯增強鎂基復合材料，復合材料中石墨稀的含量為3wt.%。
[0028]實施