一種改性石墨烯增強鋁基複合材料及其製備方法與流程

2023-06-07 03:49:21 1

本發明涉及鋁基複合材料領域，具體涉及一種石墨烯與鋁基體之間具有良好潤溼性的改性石墨烯增強鋁基複合材料及其製備方法。

背景技術：

石墨烯是一種由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格狀的平面薄膜。石墨烯具有高導電性(電阻率僅約10-8Ω·m)、高導熱率(5000W/m·K)、高強度(斷裂強度高達130Gpa)以及高比表面積等優異的性能，從而使其成為複合材料的理想增強相。石墨烯粉末是由1-10層不等的石墨烯微片構成的，潛在的下遊應用是用於導電添加劑、複合材料、散熱導熱、導電油墨、儲能、海水淡化、防腐材料等。相關研究表明，在鋁基體中加入石墨烯可以顯著提高其強度和硬度，並保持鋁基體的高延展性，所得到的石墨烯增強鋁基複合材料的熱導率也顯著提高。

目前，石墨烯的分散、界面的控制以及石墨烯與鋁基體的潤溼性是製備石墨烯鋁基複合材料的三大難題。製備石墨烯增強鋁基複合材料的方法多為粉末冶金法，通過工藝方法的改進來改善石墨烯和鋁基體的結合性，並未涉及改善石墨烯與鋁基體之間的潤溼性來提高結合性。此外，粉末冶金方法製備石墨烯增強鋁基複合材料工藝複雜，成本較高，難以批量化生產，要實現工業化製備還有很多關鍵技術有待突破，亟需開發一種適合於工業化批量生產的高效製備方法。

已有現有技術通過球磨法均勻混合石墨烯與鋁粉，製備出的石墨烯增強鋁基複合材料的性能與未添加石墨烯的基體材料相比，複合材料的抗拉強度、熱導率、導電率均有所提高。但是在該球磨工藝中，只考慮了石墨烯在鋁合金中的分散性，並未考慮到石墨烯與鋁合金之間的界面結合，以及石墨烯與鋁合金之間的潤溼性。

技術實現要素：

鑑於上述問題，本發明旨在提供一種改性石墨烯增強鋁基複合材料及其製備方法。發明人通過對石墨烯表面進行改性處理，有利於石墨烯在鋁基體之間的分散，提高了石墨烯與鋁基體之間的潤溼性，製備出性能更好的改性石墨烯增強鋁基複合材料。

一方面，本發明提供了一種改性石墨烯增強鋁基複合材料的製備方法，包括步驟：

A、將石墨烯粉末、矽粉、磨球、硬脂酸置於球磨機中，向其中充入液氮至浸沒全部所述磨球之後進行球磨，得到混合粉末，對所述混合粉末進行烘乾；

B、所述經烘乾的混合粉末進行燒結，得到改性石墨烯；

C、將所述改性石墨烯、高純鋁粉、磨球、硬脂酸置於球磨機中，向其中充入液氮，進行球磨得到改性石墨烯-鋁粉混合粉末，並進行烘乾；

D、將所述經烘乾的改性石墨烯-鋁粉混合粉末加入到熔融鋁液或熔融鋁合金液中，攪拌均勻之後進行澆鑄，可得到改性石墨烯增強鋁基複合材料。

上述製備方法中，所述A步驟中，

所述矽粉與石墨烯粉末的重量比例為：0.4～0.6：1；

所述磨球與所述混合粉末的重量比例為5～10：1。

優選的，所述A步驟中，所述球磨機的轉速為20～100rpm，所述球磨的時間為3～8h。

進一步的，所述B步驟中的燒結過程在真空燒結爐中進行，燒結溫度為1100～1300℃，燒結時間為1～2h。

進一步的，所述C步驟中，

所述改性石墨烯與高純鋁粉的重量比例為1：3～4；

所述磨球與所述改性石墨烯-鋁粉混合粉末的重量比例為5～10：1。

優選的，所述C步驟中，所述球磨機的轉速為20～100rpm，所述球磨的時間為2～3h。

更進一步的，所述A步驟和C步驟中的烘乾過程均在真空乾燥箱中進行，烘乾溫度均為90～100℃，烘乾時間均為1～2h。

優選的，所述D步驟中，所述改性石墨烯-鋁粉混合粉末與所述熔融鋁液或熔融鋁合金液的質量比例為1：3～5。

本發明的另一個方面是，提供一種利用上述方法製備的改性石墨烯增強鋁基複合材料。

所述改性石墨烯增強鋁基複合材料的導電率為34～70％IACS，熱導率為135～245W/m·K，抗拉強度為150～320MPa。

本發明所使用的低溫球磨分散工藝，使得石墨烯和矽粉、改性石墨烯與高純鋁粉之間分散均勻。

通過對石墨烯進行改性，在其表面生成一層碳化矽(SiC)，使得其與鋁基體之間具有良好的潤溼性，提高了石墨烯與鋁基體的結合強度。並且，碳化矽與鋁基體之間直接接觸，可以控制石墨烯與鋁基體之間發生界面反應，避免了不良界面化合物Al4C3的生成。

本發明通過調配不同的熔融鋁液或熔融鋁合金液，可鑄造得到各種規格的石墨烯增強鋁基複合材料坯錠，實現批量化生產。

附圖說明

圖1為改性石墨烯增強鋁基複合材料的製備方法工藝流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

本發明針對石墨烯與鋁基體之間潤溼性不好的問題，在石墨烯粉末中添加矽粉，高溫下反應可生成碳化矽，從而對石墨烯表面進行改性處理。利用碳化矽與鋁基體之間優異的潤溼性，來提高改性石墨烯與鋁基體之間的潤溼性。同時，通過碳化矽與鋁基體之間的直接接觸，避免了石墨烯與鋁基體之間不良界面化合物Al4C3的生成。

本發明中的「潤溼性」的定義為：一種液體在一種固體表面鋪展的能力或傾向性。金屬基複合材料力學性能的優劣主要依賴於基體與增強體的界面結合，而界面性能的優劣又依賴於金屬基體的成分、增強體的表面特性和複合材料的製備方法，決定於熔融的基體金屬與增強體之間的潤溼狀況。

由圖1，本發明公開了改性石墨烯增強鋁基複合材料的製備方法，包括以下步驟：

①將石墨烯粉末、矽粉、磨球、硬脂酸置於球磨機中，並向球磨機中通入液氮，待液氮浸沒全部磨球之後進行球磨處理，得到石墨烯粉末和矽粉的混合粉末。在該步驟中，矽粉與石墨烯粉末的重量比例為：0.4～0.6：1，磨球與混合粉末的重量比例為5～10：1，球磨機的轉速為20～100rpm，進行球磨的時間為3～8h。

其中，硬脂酸是一種固體表面活性劑，它能夠附著於粉末顆粒表面的未飽和斷鍵上，降低粉末顆粒之間的界面能，從而對粉末顆粒的粉碎產生助磨效應，有利於粉末的均勻分散。此外，硬脂酸還具有潤滑作用，可以減小粉末顆粒對磨球的粘附程度。

在本發明的技術方案中，硬脂酸作為有機溶劑，加入量較小，此處可認為混合粉末即為石墨烯粉末和矽粉的質量之和。

②將上述步驟得到的混合粉末送入真空乾燥箱中進行烘乾，烘乾溫度為90～100℃，時間為1～2h。

由於硬脂酸的揮發溫度在80～100℃，在該步驟中，90～100℃的烘乾溫度下硬脂酸揮發，留下乾燥的石墨烯粉末與矽粉形成的混合粉末。

③經烘乾後的混合粉末置於真空燒結爐中，在1100～1300℃溫度下燒結1～2h，得到燒結成塊的改性石墨烯。

經過高溫燒結後，石墨烯的表層碳原子與矽粉反應原位生成碳化矽，實現了對石墨烯表面的改性處理，製備出與鋁基體具有良好潤溼性的改性石墨烯。

④將燒結成塊的改性石墨烯以及高純鋁粉、磨球、硬脂酸置於球磨機中，並向其中充入液氮，待液氮浸沒全部磨球之後進行球磨處理。球磨過程可將燒結成塊的改性石墨烯處理為粉狀，改性石墨烯粉末可在高純鋁粉中均勻分散開，得到改性石墨烯-鋁粉混合粉末。該步驟中，改性石墨烯與高純鋁粉的重量比例為1：3～4，磨球與改性石墨烯-鋁粉混合粉末的重量比例為5～10：1。進行球磨的時間為2～3h，球磨機的轉速為20～100rpm。

其中，硬脂酸作為有機溶劑，加入量較小，此處的改性石墨烯-鋁粉混合粉末即為加入的改性石墨烯和高純鋁粉的質量之和。

⑤將改性石墨烯-鋁粉混合粉末送入真空乾燥箱中，在90～100℃的溫度下乾燥1～2h。

⑥經烘乾的改性石墨烯-鋁粉混合粉末加入到熔融鋁液或熔融鋁合金液中，攪拌均勻後進行澆鑄，即可得到所需的改性石墨烯增強鋁基複合材料。

其中，加入的改性石墨烯-鋁粉混合粉末與熔融鋁液或熔融鋁合金液的質量比例為1：3～5。

在該步驟中，技術人員可以通過調配不同的熔融鋁液或熔融鋁合金液來製備不同鋁基體的複合材料。即，本發明不僅可以利用改性石墨烯來增強純鋁基體，還可以用於增強其他鋁合金基體，例如鋁矽、鋁鎂等。

發明人發現，本發明製備的改性石墨烯增強鋁基複合材料與無石墨烯增強的純鋁及鋁合金相比，導電率、熱導率和抗拉強度均有所提高。本發明所製備的改性石墨烯增強鋁基複合材料的性能得到了明顯改善。

實施例1

①將矽粉(70g)、石墨烯粉末(180g)、磨球和硬脂酸置於球磨機中，充入液氮，待液氮浸沒全部磨球時開始球磨，磨球與混合粉末的重量比為10，球磨機轉速為20rpm，球磨8h。

②將所得到的矽粉與石墨烯的混合粉末於真空乾燥箱中烘乾，溫度90℃，時間為2h。

③將烘乾後的混合粉末置於真空燒結爐中於1300℃下燒結1h。

④將燒結成塊的改性石墨烯(250g)、高純鋁粉(750g)、磨球和硬脂酸混合置於球磨機中，充入液氮球磨2h，磨球與改性石墨烯-鋁粉混合粉末的重量比為10，球磨機轉速為50rpm。

⑤將最終得到的改性石墨烯-鋁粉混合粉末於真空乾燥箱中烘乾，溫度90℃，時間為2h。

⑥取1000g烘乾後的改性石墨烯-鋁粉混合粉末加入到3000g熔融AA1060鋁合金中，攪拌均勻，澆鑄，得到所需的改性石墨烯增強鋁基複合材料。

通過上述工藝製備的改性石墨烯增強鋁基複合材料的導電率為69％IACS(％IACS為導電率單位)，與未添加石墨烯的1060鋁合金(導電率為62％IACS)相比，提高了11％。所製備的複合材料的熱導率達到243W/m·K，比未添加石墨烯的基體材料(217W/m·K)提高了12％。複合材料的抗拉強度達到150MPa，比基體材料(110MPa)提高了36％。

實施例2

①將矽粉(70g)、石墨烯粉末(150g)、磨球和硬脂酸置於球磨機中，充入液氮，待液氮浸沒全部磨球時開始球磨，磨球與混合粉末的重量比為8，球磨機轉速為60rpm，球磨5h。

②將所得到的矽粉與石墨烯的混合粉末於真空乾燥箱中烘乾，溫度100℃，時間為1h。

③將烘乾後的混合粉末置於真空燒結爐中於1200℃下燒結1.5h。

④將燒結成塊的改性石墨烯(220g)、高純鋁粉(780g)、磨球和硬脂酸混合置於球磨機中，充入液氮球磨3h，磨球與改性石墨烯-鋁粉混合粉末的重量比為8，球磨機轉速為20rpm。

⑤將最終得到的改性石墨烯-鋁粉混合粉末於真空乾燥箱中烘乾，溫度100℃，時間為1h。

⑥取1000g烘乾後的改性石墨烯-鋁粉混合粉末加入到4000g熔融AA4032鋁合金中，攪拌均勻，澆鑄，得到所需的改性石墨烯增強鋁基複合材料。

通過上述工藝製備的改性石墨烯增強鋁基複合材料的導電率為48％IACS，與未添加石墨烯的4032鋁合金(導電率為42％IACS)相比，提高了14％。所製備的複合材料的熱導率達到178W/m·K，比未添加石墨烯的基體材料(155W/m·K)提高了15％。複合材料的抗拉強度達到280MPa，比基體材料(240MPa)提高了17％。

實施例3：

①將矽粉(70g)與石墨烯粉末(120g)、磨球和硬脂酸置於球磨機中，充入液氮，待液氮浸沒全部磨球時開始球磨，磨球與混合粉末的重量比為5，球磨機轉速為100rpm，球磨3h。

②將所得到的矽粉與石墨烯的混合粉末於真空乾燥箱中烘乾，溫度90℃，時間為2h。

③將烘乾後的混合粉末置於真空燒結爐中於1100℃下燒結2h。

④將燒結成塊的改性石墨烯(190g)、高純鋁粉(810g)、磨球和硬脂酸混合置於球磨機中，充入液氮球磨2h，磨球與改性石墨烯-鋁粉混合粉末的重量比為5，球磨機轉速為100rpm。

⑤將最終得到的改性石墨烯-鋁粉混合粉末於真空乾燥箱中烘乾，溫度90℃，時間為2h。

⑥取1000g烘乾後的改性石墨烯-鋁粉混合粉末加入到5000g熔融AA5083鋁合金中，攪拌均勻，澆鑄，得到所需的改性石墨烯增強鋁基複合材料。

通過上述工藝製備的改性石墨烯增強鋁基複合材料的導電率為34％IACS，與未添加石墨烯的5083鋁合金(導電率為29％IACS)相比，提高了17％。所製備的複合材料的熱導率達到135W/m·K，比未添加石墨烯的基體材料(120W/m·K)提高了12.5％。複合材料的抗拉強度達到320MPa，比基體材料(280MPa)提高了14％。

即，本發明製備的改性石墨烯增強鋁基複合材料的性能得到了明顯改善。

最後應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。