CN109722556A

CN109722556A - 一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN109722556A
Application number: CN201910152836.6A
Authority: CN
Inventors: 姜龙涛; 孙婷婷; 晁振龙; 杨文澍; 陈国钦; 修子扬; 武高辉; 张强; 芶华松; 康鹏超
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2019-05-07

Abstract

一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料及其制备方法，它涉及一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料及其制备方法。本发明是要解决石墨烯在金属粉体中的分散性差；粉末冶金法制备石墨烯/铝复合材料，界面结合强度不够；铸态和挤压态石墨烯铝复合材料中石墨烯排布的问题。它由由增强体和铝基体制成；材料中增强体的质量分数为0.15～3.0％。方法：一、称量；二、球磨；三、冷压制备预制体；四、压力浸渗、热挤压成型、热轧成型。本发明制备的抗高速撞击石墨烯铝复合材料力学性能好，弹性模量优异，石墨烯/铝界面结合强度高，石墨烯定向排列，具有优异的高速撞击性能。本发明用于制备抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料。

Description

一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着人们对空间环境的日益探索，关于材料的高速撞击性能研究也越来越多，其中，有关高应变率的高速撞击研究也有很多。目前B₄C、Al₂O₃和TiB₂等颗粒增强铝基复合材料已经广泛应用于空间碎片高速撞击材料，但是随着石墨烯等新型碳材料的发展，尤其是石墨烯高的面内的杨氏模量(>1TPa)，相对较低的密度(2.2g·cm^-3)，使石墨烯的面内应力传播速度很高(22.2km·s^-1)，研究表明，在高应变率的动态条件下，惯性效应产生的局部应力变得非常明显，石墨烯的加入可以迅速分散复合材料在高应变率变形下产生的应力集中。因此石墨烯铝基复合材料在抗高速撞击方面的应用潜力巨大。

对于金属基复合材料而言，增强相在基体中的分散均匀性和排布、界面结合形式等对复合材料的性能具有重要影响。因此石墨烯在金属基体中的均匀分散和排布如何实现，是其高速撞击性能提高的关键技术。

经过理论分析，石墨烯需要在复合材料中定向排列，可以明显提高沿主抗弹方向的高速撞击性能。目前关于石墨烯铝的加工工艺主要为挤压，该工艺可以显著提高复合材料的致密性，一定程度上改善石墨烯的分散性和定向排布。然而，挤压后复合材料中石墨烯尺寸仍然较大，其二维结构的优越性发挥不明显。

综上所述，需要一种更完善的抗高速撞击用的石墨烯铝复合材料的制备方法，充分利用石墨烯的二维结构和极高的面内弹性模量，以达到制备轻量化、高速撞击性能优异的铝基复合材料的目的。

专利号为CN108251674A，发明名称为“一种表面镀镍石墨烯增强铝基复合材料及其热挤压制备方法”中采用热挤压直接成型的方式制备了石墨烯增强铝基复合材料，该专利制备的石墨烯铝复合材料，石墨烯沿挤压方向排布，使高速撞击时石墨烯的二维优势难以发挥。专利号为CN106566963A，发明名称为“一种铝合金复合装甲材料的制备方法及其搅拌装置”中采用使用超声分散法分散石墨烯，制得石墨烯/铝合金混合粉末，该方法制备的石墨烯与铝粉结合强度弱。

发明内容

本发明是要解决石墨烯在金属粉体中的分散性差；粉末冶金法制备石墨烯/铝复合材料，界面结合强度不够；铸态和挤压态石墨烯铝复合材料中石墨烯排布的问题，而提供一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料及其制备方法。

本发明一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料由增强体和铝基体制成；所述增强体为石墨烯，所述石墨烯的层数为1～20层；所述铝基体为铝或铝合金，所述铝基体为粒径1～10μm的粉末；所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为0.15～3.0％。

本发明一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、称量：称取增强体和铝基体；所述增强体为石墨烯；所述铝基体为铝或铝合金；

二、球磨：将增强体和铝基体混合作为原料置于氧化锆球磨罐中进行球磨，得到石墨烯/铝基混合粉体；

三、冷压制备预制体：将石墨烯/铝基混合粉体在压力为30MPa～100MPa的条件下冷压，得到石墨烯铝基预制体；

四、压力浸渗：将石墨烯铝基预制体连同模具在温度为500～700℃的条件下保温2～6h，向模具中浇注铝基熔融液并加压浸渗，在压力为20～100MPa的条件下保压10～60min，随模冷却后，脱模得到石墨烯铝基复合材料；对石墨烯铝基复合材料依次进行挤压和轧制，得到抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料；所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为0.15～3.0％。

本发明的有益效果是：

本发明提供的制备方法，石墨烯在金属粉体中的分散性好，同时低速球磨对石墨烯引入的结构缺陷少。本发明采用挤压+轧制的方式，石墨烯沿轧制面排布，故当冲击载荷垂直于轧制面方向施加，恰好可以充分利用石墨烯的二维优势，分散应力，达到提高高速撞击性能的效果，同时采用球磨、压力浸渗的方式制备出界面结合强度高、石墨烯含量高、高速撞击性能更优异的复合材料。

本发明制备的石墨烯铝复合材料的抗高速撞击性能优异，通过挤压和轧制成型，复合材料中石墨烯达到定向排列，表面质量高，缺陷少。高速撞击流变应力超过400MPa，应变超过45％，与相同工艺制备的铝合金相比提高了10％。

本发明制备的石墨烯铝复合材料工艺简单可调控，成本较低，适合工业化生产，市场前景良好。

附图说明

图1为实施例一制备的抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料与铝合金高速撞击性能对比曲线；其中1为实施例一制备的抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，2为铝合金。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料由增强体和铝基体制成；所述增强体为石墨烯，所述石墨烯的层数为1～20层；所述铝基体为铝或铝合金，所述铝基体为粒径1～10μm的粉末；所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为0.15～3.0％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为1.0～2.0％。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为2.0～3.0％。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系或7xxx系铝合金。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

本实施方式通过在制备预制体的时候，计算粉体和空隙的多少分数，空隙处浸渗铝液，通过冷压的压力来调控复合材料中增强体的质量分数。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二中所述球磨的参数为：球磨时间为4h，球料比为10:1，转速为150rpm，温度为25℃～40℃。其他与具体实施方式七相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：步骤二中所述球磨的方式为转10min停20min的循环球磨方式。其他与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：步骤四中所述铝基熔融液是一定量铝基材料在温度600～700℃条件下熔炼2～6h得到的，所述铝基材料与步骤一中所述铝基体材质相同。其他与具体实施方式五至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：步骤四中加压浸渗的环境为大气环境或真空环境。其他与具体实施方式五至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是：步骤四中所述挤压的参数：石墨烯铝基复合材料的预热温度为400～520℃，挤压筒预热温度为400～520℃；挤压出口速度为0.5～10m/min，挤压比为4～20。其他与具体实施方式五至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式五至十之一不同的是：步骤四中所述轧制的参数：挤压后的石墨烯铝基复合材料的预热温度为400～480℃，轧辊预热温度为400～500℃，轧制比为10～80％。其他与具体实施方式五至十之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、称量：称取增强体和铝合金粉；铝合金粉的粒径为10μm；所述增强体为石墨烯，石墨烯平均层数为5～10层；铝合金粉按质量百分比含下述组分：Mg4.0--4.9％，Mn0.40--1.0％，Si0.2～0.4％，Fe0.2～0.5％，Cu0.05～0.1％，Cr0.05～0.25％，Zn0.2～0.3％，Ti0.05～0.15％；其余为Al；

二、球磨：将增强体和铝基体混合作为原料置于氧化锆球磨罐中进行球磨，得到石墨烯/铝基混合粉体；所述球磨的参数为：球磨时间为4h，球料比为10:1，转速为150rpm，温度为25℃～40℃；球磨采用每球磨10min停20min的方式，顺逆时针旋转结合的方式，确保石墨烯可以均匀包裹在铝粉颗粒表面；

三、冷压制备预制体：将石墨烯/铝基混合粉体在压力为40MPa的条件下冷压，得到石墨烯铝基预制体；

四、压力浸渗：将石墨烯铝基预制体连同模具在温度为600℃的条件下保温2h后，向模具中浇注铝基熔融液并加压浸渗，在压力为50MPa的条件下保压20min，随模冷却后，脱模得到石墨烯铝基复合材料；对石墨烯铝基复合材料依次进行挤压和轧制，得到抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料；所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为0.6％；所述铝基熔融液是一定量铝基材料在温度700℃条件下熔炼2h得到的，所述铝基材料与步骤一中所述铝基体材质相同；所述挤压的参数：石墨烯铝基复合材料的预热温度为520℃，挤压筒预热温度为500℃；挤压出口速度为2m/min，挤压比为10；所述轧制的参数：挤压后的石墨烯铝基复合材料的预热温度为480℃，轧辊预热温度为500℃，轧制比为50％。

图1为实施例一制备的抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料与铝合金高速撞击性能对比曲线，所述铝合金与实施例一步骤一中的铝基体相同。从图中可以看出，通过本实施例制备的石墨烯铝复合材料高速撞击流变应力超过400MPa，应变超过45％，与相同工艺制备的铝合金相比提高了10％。

Claims

1.一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料由增强体和铝基体制成；所述增强体为石墨烯，所述石墨烯的层数为1～20层；所述铝基体为铝或铝合金，所述铝基体为粒径1～10μm的粉末；所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为0.15～3.0％。

2.根据权利要求1所述的一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为1.0～2.0％。

3.根据权利要求1所述的一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于所述抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料中增强体的质量分数为2.0～3.0％。

4.根据权利要求1所述的一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系或7xxx系铝合金。

5.如权利要求1所述一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料的制备方法，其特征在于抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

6.根据权利要求5所述的一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于步骤二中所述球磨的参数为：球磨时间为4h，球料比为10:1，转速为150rpm，温度为25℃～40℃。

7.根据权利要求5所述的一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于步骤二中所述球磨的方式为转10min停20min的循环球磨方式。

8.根据权利要求5所述的一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于步骤四中所述铝基熔融液是一定量铝基材料在温度600～700℃条件下熔炼2～6h得到的，所述铝基材料与步骤一中所述铝基体材质相同。

9.根据权利要求5所述的一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于步骤四中所述挤压的参数：石墨烯铝基复合材料的预热温度为400～520℃，挤压筒预热温度为400～520℃；挤压出口速度为0.5～10m/min，挤压比为4～20。

10.根据权利要求5所述的一种抗高速撞击用石墨烯铝基复合材料，其特征在于步骤四中所述轧制的参数：挤压后的石墨烯铝基复合材料的预热温度为400～480℃，轧辊预热温度为400～500℃，轧制比为10～80％。