一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法

摘要

一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，以铝合金为基材，以无电镀铜石墨烯为增强材料，通过搅拌摩擦工艺制备而成，包括以下步骤：1）无电镀铜石墨烯的制备；2) 铝合金板预处理；3）铝合金板填入增强材料；4）摩擦搅拌加工。本发明通过摩擦搅拌工艺，将铝合金与无电镀铜石墨烯均匀混合，制得的石墨烯增强铝基复合材料克服了石墨烯易出现分布不均的缺点。本发明具有工艺简单、加工成本低、石墨烯分散效果好的特点，制备石墨烯增强铝基复合材料的适用于赛车、高速列车、航空航天、人造卫星和空间站等领域。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子以sp²轨域组成的六角蜂巢晶格的平面薄膜，是目前最薄、最坚硬的纳米材料，具有硬度大、韧性好的特点。可应用于复合材料增强、散热产品、电容器、生物制药等领域。近几年，随着石墨烯的生产逐渐规模化及其质量和层数可控性程度的提高，石墨烯复合材料的研究越来越受到国内外学者的关注。科研人员开始利用熔炼以及粉末冶金的方法尝试开发新材料，将富勒烯、碳纳米管、石墨烯等纳米材料加入基材中形成金属基复合材料。

金属基复合材料因其物理化学性能优良而被誉为21世纪的新材料。铝、镁、钛和铜是质轻且塑性好的基体材料，通常选用碳纤维、玻璃纤维以及SiC、SiO₂、Al₂O₃、TiB₂和石墨烯等作为强化相引入基体材料中，提高材料的强度、耐腐性和耐磨性。金属基复合材料以金属为基材与增强相材料混合而成，兼具了金属的特性和增强相材料的优点，然而，由于石墨烯密度小、分散性差、熔态下与熔融金属界面张力不同而造成界面反应，使复合材料中增强相容易出现分布不均，使复合材料的制备工艺复杂化且成本较高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，把无电镀铜SiC颗粒上生长的石墨烯添加到6061-T651铝合金中，从而提高石墨烯增强相与金属基材的接合性能，提高复合材料的力学性能。石墨烯增强铝基复合材料主要适用于赛车、高速列车、航空航天、人造卫星和空间站等领域。

一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，以铝合金为基材，以无电镀铜石墨烯为增强材料，通过搅拌摩擦工艺制备而成，具体步骤如下：

1）无电镀铜石墨烯的制备：通过化学气相沉积法，在无电镀铜SiC颗粒表面上生长石墨烯，制备无电镀铜石墨烯，备用；

2) 铝合金板预处理：取两块侧面相互配合的铝合金板，作为料板a和料板b，并在其中一块铝合金板侧面加出工一道凹槽，凹槽即为增强材料的进料槽；

3）铝合金板填入增强材料：将步骤1）得到的无电镀铜石墨烯增强材料填入进料槽，然后将两块料板配合、固定；

4）摩擦搅拌加工：启动摩擦搅拌装置，搅拌针按搅拌头转速开始旋转，将搅拌针对准料板a与料板b的对接缝，由搅拌头提供向下的压力，使得搅拌针旋转进入待加工区，搅拌针完全进入对接缝后，令搅拌头按进给速度沿对接缝进行搅拌摩擦加工，得到搅拌区，搅拌区材料即为制备的石墨烯增强金属基复合材料。

所述步骤1）中的无电镀铜SiC颗粒，在通入氢气、以甲烷为生长源保持1Pa条件下，通过化学气相沉积法，制备无电镀铜石墨烯。

所述步骤2）中的凹槽的横截面积占待加工区总横截面积的20%~30%，其中，待加工区横截面积为搅拌针的横截面积。

所述步骤4）中利用搅拌头进行加工时，搅拌头转速为800~1200rpm，进给速度为0.5~2.0mm/s，搅拌头旋转轴向进给的反方向倾斜1~5°。。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过摩擦搅拌工艺，将铝合金与无电镀铜石墨烯均匀混合，制得的石墨烯增强铝基复合材料克服了石墨烯密度小、分散性差、熔态下与熔融金属界面张力不同而易出现分布不均的缺点，制备的石墨烯增强铝基复合材料力学性能优良。本发明具有工艺简单、加工成本低、石墨烯分散效果好的特点，石墨烯增强铝基复合材料适用于赛车、高速列车、航空航天、人造卫星和空间站等领域。

附图说明

图1为实施例使用的无电镀铜石墨烯的SEM照片；

图2为实施例中搅拌摩擦设备所用搅拌头照片；

图3为搅拌摩擦工艺示意图；

图4为对制备的石墨烯增强铝基复合材料上所选区域一的SEM-EDS分析照片；

图5为对制备的石墨烯增强铝基复合材料上所选区域二的SEM-EDS分析照片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于以下实施例。

实施例1

基材为6061-T651铝合金，外形尺寸240 mm×60 mm×6 mm，基材化学成分中Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr和Al的质量含量分别为0.478%、0.8%、0.284%、0.148%、0.968%、0.277%和94%，其余为其他成分，其硬度和杨氏模量分别为1.58GPa和86.45GPa。

采用的无电镀铜石墨烯增强材料，在通入氢气、以甲烷为生长源保持1Pa条件下，通过化学气相沉积法在无电镀铜SiC颗粒表面上生长的石墨烯，其SEM形貌如图1所示。

采用的搅拌摩擦设备由普通铣床改进而成，选用左旋螺纹搅拌头，搅拌针长度、直径和螺纹节距分别为5 mm、6 mm和1 mm，轴肩直径为20mm，如图2所示，材料为SKD61合金钢。

具体加工步骤如下：

1）利用化学气相沉积法，在无电镀铜SiC颗粒的镀铜层上制备石墨烯；

2）取两块基材，并在其中一块铝材横截面处加工一道凹槽，如图3所示，凹槽横截面尺寸为0.56×3mm；

3）将石墨烯增强颗粒填入凹槽，板料对接固定方式如图3所示；

4）最后沿对接缝进行搅拌摩擦加工，形成图3所示的搅拌区，搅拌区材料即为石墨烯增强金属基复合材料。利用搅拌头进行加工时，搅拌头转速1000rpm、进给速度1.2mm/s、搅拌头旋转轴向进给的反方向倾斜1~5°，环境温度保持30℃左右

实施例2

对实施例1制备的石墨烯增强铝基复合材料纳米压痕测试，分别测试增强颗粒分散区和增强颗粒聚集区，测试结果如表1所示，表1为石墨烯增强铝基复合材料的纳米压痕测试结果。

由表1可见，该复合材料的硬度和杨氏模量波动小，且平均值较高。实验结果显示，本发明制备的石墨烯增强铝基复合材料提高了增强效果，该复合材料的硬度和杨氏模量平均值分别为基材的136.1%和109%。

实施例3

对实施例1制备的石墨烯增强铝基复合材料进行扫描电镜和EDS分析，如图4所示，发现颗粒外层存在明亮的包覆层，EDS分析图中点1和点2处，确认Cu元素仍包覆在颗粒上。对另一区域的点1和点2处进行检测，如图5所示，发现颗粒周围似乎有铜膜扩散迹象，EDS分析颗粒及周围发现皆有Cu元素，表示Cu可能已经从颗粒扩散至基材，此处也含有Si和C元素。SEM-EDS分析结果显示，无电镀铜石墨烯颗粒搅拌进入铝基材后，铜镀层扩散到SiC颗粒周围，使颗粒与基材牢固联接，有效解决了石墨烯密度小、分散性差、熔态下与熔融金属界面张力不同而易出现分布不均的缺点。