本發(fā)明涉及一種al4c3改性al基復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料一般可分為三類：聚合物基復(fù)合材料（pmcs）、金屬基復(fù)合材料（mmcs）、陶瓷基復(fù)合材料（cmcs）。金屬基復(fù)合材料基體主要是鋁、鎳、鎂、鈦等。鋁在制作復(fù)合材料上有許多特點(diǎn)，如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好，鋁基復(fù)合技術(shù)容易掌握，易于加工等。此外，鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度和比剛度高，高溫性能好，更耐疲勞和耐磨，阻尼性能好，熱膨脹系數(shù)低。同其他復(fù)合材料一樣，它能組合特定的力學(xué)和物理性能，以滿足產(chǎn)品的需要。因此，鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一。隨著汽車和航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是在太空空間，電離輻射等惡劣環(huán)境中對(duì)金屬基復(fù)合材料的比強(qiáng)度，比模量，耐蝕性，導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能要求更高，傳統(tǒng)的陶瓷纖維和顆粒增強(qiáng)體已經(jīng)不能滿足對(duì)材料性能的要求。

碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)異性能，這使得其可以作為一種理想的增強(qiáng)劑。碳納米管力學(xué)性能的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，碳納米管的韌性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有極小的尺度及優(yōu)異的力學(xué)性能，是理想的一維納米增強(qiáng)、增韌材料。由于優(yōu)異的力學(xué)和物理性能，碳納米管被認(rèn)為是最具前景的鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)體之一。例如在公開號(hào)為cn103602843a、cn1546695a、cn1730688a、cn101613079a的發(fā)明專利中均介紹了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)，但是近些年研究發(fā)現(xiàn)，把碳納米管作為增強(qiáng)體加入到鋁基體中對(duì)鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)效果并不明顯。主要問題是由于碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在碳納米管的團(tuán)聚現(xiàn)象。

石墨烯是屬于眾多碳材料中的一員，相比于其他的碳材料，比如碳納米管，富勒烯，石墨等，有著優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能，這與其獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)有關(guān)。石墨烯是由sp2雜化碳原子以蜂六邊巢晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)成的二維單原子層結(jié)構(gòu)。每個(gè)碳原子與其周圍的三個(gè)碳原子成鍵，c-c鍵長(zhǎng)是1.42a。在石墨烯以及石墨中，由于c-c鍵角都是120°，此時(shí)是不存在張力的，與c-c鍵角因小于120°而存在張力的富勒烯或者碳納米管相比，石墨烯中的c原子的反應(yīng)活性要低于富勒烯或是碳納米管中的c原子。

然而，與碳納米管相比，石墨烯的二維結(jié)構(gòu)使石墨烯相對(duì)更容易控制和分散在鋁基體中，因此充分發(fā)揮石墨烯的增強(qiáng)效果，制備出高性能的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已經(jīng)引起越來(lái)越多研究者的關(guān)注。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利cn105081310a公開了一種制備石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法：（1）制備氧化石墨烯；（2）鋁粉的表面改性；（3）制備氧化石墨烯-鋁復(fù)合粉末；（4）石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備；氧化石墨烯-鋁復(fù)合粉末加入到材質(zhì)為石墨的模具中，在氬氣保護(hù)、壓力為25mpa和溫度為600℃的條件下燒結(jié)1h-2h，自然冷卻至室溫，得到石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。中國(guó)專利cn105624446a公開了石墨烯增強(qiáng)鎂、鋁基復(fù)合材料及其制備方法：將石墨烯溶于適量乙醇溶液中超聲分散，隨即向溶液中間歇地加入金屬粉末，同時(shí)進(jìn)行超聲分散及機(jī)械攪拌，得到分散性良好的石墨烯/金屬顆?；旌先芤?；將混合溶液依次進(jìn)行低溫水浴加熱去溶劑、真空干燥成粉、惰性氣氛下持續(xù)手動(dòng)研磨，得到均勻分散的石墨烯/金屬顆粒復(fù)合粉末；將復(fù)合粉末熱壓成塊及熱擠壓，最終獲得石墨烯/金屬基復(fù)合材料。檢索中還發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利cn104264000a公開了一種石墨烯改性的高導(dǎo)熱鋁基復(fù)合材料及其粉末冶金制備方法：(1)將增強(qiáng)體顆粒用強(qiáng)酸溶液浸泡，然后用去離子水清洗至中性、烘干，去除表面雜質(zhì)，得到活化處理的增強(qiáng)體顆粒；(2)將活化處理的增強(qiáng)體顆粒加入到石墨烯分散液中，通過機(jī)械攪拌或超聲分散，在其表面包覆石墨烯納米片，制備石墨烯改性的增強(qiáng)體顆粒；(3)將石墨烯改性的增強(qiáng)體顆粒與鋁基體粉末混合，通過壓坯和燒結(jié)，制備石墨烯改性的高導(dǎo)熱鋁基復(fù)合材料。

雖然現(xiàn)有技術(shù)所制備的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料綜合性能比較優(yōu)異，但石墨烯在鋁基之中未能均勻的分布，也不能夠使石墨烯和鋁基體之間達(dá)到更有效的界面結(jié)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種al4c3改性al基復(fù)合材料，是一種化學(xué)穩(wěn)定性好、界面結(jié)合性能好的石墨烯包覆鋁粉末顆粒的高性能鋁基復(fù)合材料，便于其在電子行業(yè)的推廣應(yīng)用。本發(fā)明還提供了該復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明提供了一種al4c3改性al基復(fù)合材料，其由以下重量百分比的原料組成：

石墨烯：0.20-0.60%，al4c3：0.06-0.30%，al：99.1-99.74%。

所述al基材料中加入了al4c3，al4c3的加入，使得石墨烯與鋁粉的界面結(jié)合更加緊密，使所制備的復(fù)合材料具有更優(yōu)異的綜合性能，致密度達(dá)99.%以上，硬度值為33hv以上。

本發(fā)明提供了一種al4c3改性al基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備氧化石墨烯；

(2)然后將純鋁粉在溫度-200～-50℃冷凍2.0～5.0小時(shí)；

(3)將冷凍鋁粉和氧化石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)進(jìn)行球磨；在球磨過程中，逐量添加al4c3粉末；

(4)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行壓制成型，進(jìn)行保壓；

(5)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)。

上述方法中，所述制備氧化石墨烯的過程如下：首先將4.0g石墨、6.0gk2s2o8和6.0gp2o5分散于30ml濃硫酸中，油酸浴6小時(shí)后，將混合液冷卻至室溫，用2l去離子水稀釋，過夜，過濾，產(chǎn)物自然干燥；將預(yù)處理得到的石墨加入到300ml0℃的濃硫酸中，加入35gkmno4，冰浴，保持溫度低于20℃；溶解充分后，將混合液在35℃條件下反應(yīng)4小時(shí)，然后采用1l去離子水稀釋，再加入1l去離子水，將100ml的30%h2o2逐滴加入混合液中，過濾，所得產(chǎn)物采用2l的hcl溶液洗滌；過濾，用2l去離子水洗滌，真空烘箱干燥后得到氧化石墨烯。

上述方法中，步驟（3）球磨過程中，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為310～510rpm，球磨時(shí)間為0.2～3.0小時(shí)。球磨后，混合粉末的粒度為100-500目。

在上述球磨過程中，逐量添加al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)；

上述方法中，步驟（4）壓制成型過程中，壓力為660mpa～980mpa，在此壓制壓力下保壓0.4～60min后冷壓成型。

上述方法中，步驟（5）燒結(jié)過程中，將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500～650℃，燒結(jié)時(shí)間為0.8h～6h。

進(jìn)一步地，所述惰性氣體為ar氣。

所述石墨烯為碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體，石墨烯可采用常見的石墨粉體生產(chǎn)的方法如機(jī)械剝離法、氧化還原法、sic外延生長(zhǎng)法。

本發(fā)明的原理：（1）將鋁粉在低溫冷凍且使用球磨法，使得石墨烯包覆鋁粉末的顆粒度更加細(xì)小，石墨烯的分散性更好；（2）al4c3的加入，使得石墨烯與鋁粉的界面結(jié)合更加緊密，因?yàn)槭难趸^程和用于使石墨烯從氧化石墨上剝離開來(lái)的熱振動(dòng)技術(shù)會(huì)讓石墨烯基面有缺陷，缺陷會(huì)暴露出石墨烯的棱柱表面，這為石墨烯與鋁的反應(yīng)創(chuàng)造了條件；（3）球磨過程中氧化石墨烯會(huì)吸附到鋁片上面，在吸附過程中氧化石墨烯會(huì)通過電子交換局部還原。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用常壓成型與燒結(jié)相結(jié)合的方式，具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備投入低、能夠快速實(shí)現(xiàn)鋁基體燒結(jié)致密化；在發(fā)揮石墨烯自身優(yōu)異力學(xué)性能增強(qiáng)鋁基體的同時(shí)，還能夠利用基體的加工硬化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化共同作用增強(qiáng)鋁基體，使得復(fù)合材料的綜合性能大幅度提高，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，且可以在鋁合金電纜行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1：

(1)首先將純鋁粉冷凍在溫度-150℃保持2.0小時(shí)。(2)將鋁粉和石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)對(duì)上述混合冷凍鋁粉進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為0.22小時(shí)，石墨烯的添加量為0.2%，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為420rpm，使其粒度保持在300~400目。在上述球磨過程中，逐量添加0.08%的al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)。(3)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行成型，壓力在680mpa，且在此壓制壓力下保壓10min后冷壓成型。(4)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500℃，燒結(jié)時(shí)間為1.0h。經(jīng)測(cè)試，其致密度達(dá)99.2%，硬度值為33hv。

實(shí)施例2

(1)首先將純鋁粉冷凍在溫度-200℃保持1.0小時(shí)。(2)將鋁粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)對(duì)上述混合冷凍鋁粉進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為0.2小時(shí)，石墨烯的添加量為0.3%，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為310rpm，使其粒度保持在100-500目之間。(3)在鋁粉和一定量的石墨烯混合后進(jìn)行球磨的同時(shí)，逐量添加0.10%的al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)。(4)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行成型，壓力在730mpa之間，且在此壓制壓力下保壓20min后冷壓成型。(5)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為520℃，燒結(jié)時(shí)間為1.5h。經(jīng)測(cè)試，其致密度達(dá)99.6%，硬度值為34hv。

實(shí)施例3

(1)首先將純鋁粉冷凍在溫度-120℃保持2.5小時(shí)。(2)將鋁粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)對(duì)上述混合冷凍鋁粉進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為0.26小時(shí)，石墨烯的添加量為0.5%，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為450rpm，使其粒度保持在100-500目之間。(3)在鋁粉和一定量的石墨烯混合后進(jìn)行球磨的同時(shí)，逐量添加0.16%的al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)。(4)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行成型，壓力在750mpa之間，且在此壓制壓力下保壓30min后冷壓成型。(5)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為550℃，燒結(jié)時(shí)間為2.0h。經(jīng)測(cè)試，其致密度達(dá)99.9%，硬度值為38hv。

實(shí)施例4

(1)首先將純鋁粉冷凍在溫度-100℃保持3.0小時(shí)。(2)將鋁粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨機(jī)對(duì)上述混合冷凍鋁粉進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為3.0小時(shí)，石墨烯的添加量為0.6%之間，球料比為4.5:1，轉(zhuǎn)速為510rpm，使其粒度保持在100-500目之間。(3)在鋁粉和一定量的石墨烯混合后進(jìn)行球磨的同時(shí)，逐量添加0.30%的al4c3粉末，使石墨烯包覆鋁粉界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)。(4)將制得的石墨烯包覆鋁混合粉末進(jìn)行成型，壓力在900mpa之間，且在此壓制壓力下保壓40min后冷壓成型。(5)將冷壓成型后的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護(hù)的加熱設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為650℃，燒結(jié)時(shí)間為6.0h。經(jīng)測(cè)試，其致密度達(dá)99.7%，硬度值為36hv。