本發(fā)明涉及石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料的母料制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料及制備方法。
背景技術(shù)：
：石墨烯納米片是由sp2雜化碳原子組成的單原子層厚度的二維材料，其展現(xiàn)出一系列不同尋常的物理性能。2004年novoselov等利用膠帶剝離法制備出石墨烯納米片樣品，并對(duì)其微觀組織結(jié)構(gòu)和物理學(xué)性能進(jìn)行了表征。石墨烯納米片因其特殊的二維結(jié)構(gòu)，引起了物理、化學(xué)和材料學(xué)界研究學(xué)者的極大興趣，有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用研究成為近幾年的研究熱點(diǎn)。石墨烯是迄今為止實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)韌、導(dǎo)電和導(dǎo)熱最好的材料。為盡快使石墨烯達(dá)到工程應(yīng)用狀態(tài)，歐盟在2012年啟動(dòng)石墨烯旗艦技術(shù)項(xiàng)目，美國也大力投入，并且在石墨烯作為超強(qiáng)電容器等應(yīng)用研究已取得了突破性進(jìn)展。濕化學(xué)還原法容易實(shí)現(xiàn)石墨烯納米片的大批量制備，并且獲得的石墨烯具有較好的親水性和單分散性，是理想的復(fù)合材料納米填料。由于石墨烯具有高的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1060gpa，如何利用其來提高復(fù)合材料的強(qiáng)度成為研究熱點(diǎn)。目前已有關(guān)于石墨烯納米片增強(qiáng)高分子聚合物和陶瓷材料的報(bào)道。聚乙烯醇中填加0.7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯納米片，其抗拉強(qiáng)度提高76%；al2o3陶瓷基體中填加0.78%體積分?jǐn)?shù)的石墨烯納米片時(shí)，其彎曲強(qiáng)度提高30.75%，同時(shí)斷裂強(qiáng)度提高27.20%。鋁合金具有低的密度、高的強(qiáng)度和良好的延展性，在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為結(jié)構(gòu)材料，如何提高鋁合金強(qiáng)度一直是其研究者的主攻方向。目前來看，利用改變合金熔煉方式、調(diào)控成分、調(diào)整熱處理和變形工藝等方法在進(jìn)一步提高鋁合金性能難有突破，鋁基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。鋁基復(fù)合材料具有密度小，耐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異，加工性能好等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前金屬基復(fù)合材料研究的主流。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)材料的要求，相比于陶瓷纖維增強(qiáng)體碳纖維和石墨顆粒增強(qiáng)體高的導(dǎo)熱性，低的熱膨脹系數(shù)，優(yōu)異的阻尼能力和非常好的自潤滑性能引起了許多研究者的關(guān)注。在鋁合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳納米管制備鋁基復(fù)合材料來提高合金強(qiáng)度成為學(xué)者們研究方向。但增強(qiáng)效果不盡人意，且材料的塑性大幅降低。石墨烯納米片具有高的強(qiáng)度，大的比表面積和較好的延伸率，將其添加到鋁合金中形成鋁基復(fù)合材料，是解決提高鋁合金強(qiáng)度難題的不錯(cuò)選擇。在最近幾年因?yàn)槭﹥?yōu)異的機(jī)械性能和物理性能被認(rèn)為是最理想的金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體，相比于碳納米管，石墨烯的二維結(jié)構(gòu)使石墨烯更容易控制和分散在鋁基體中，為進(jìn)一步提高鋁基復(fù)合材料的性能提供了新的途徑。對(duì)于鋁基復(fù)合材料來說，增強(qiáng)相在鋁基體中的分布是否均勻、增強(qiáng)相是否發(fā)生團(tuán)聚、界面結(jié)合是否緊密，直接決定著復(fù)合材料性能的優(yōu)劣。因?yàn)槭┹^大的比表面積，其在鋁基體中很容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的球磨分散方法并不能保證將石墨烯均勻的分散在鋁基體中，同時(shí)在球磨過程中會(huì)形成加工硬化減弱石墨烯的增強(qiáng)效果，常規(guī)粉末冶金工藝采用的機(jī)械球磨只是將增強(qiáng)相和基體相的粉末均勻地混合在一起，粉體間很難在球磨過程中就形成界面結(jié)合，而且通過熔化結(jié)合使得能耗增加因此，石墨烯在鋁基體中的均勻分散如何實(shí)現(xiàn)，以及石墨烯/鋁的高質(zhì)量界面結(jié)合如何獲得，是制備石墨烯/鋁復(fù)合材料需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)以上情況，提出一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料及制備方法，主要技術(shù)要點(diǎn)在于利用硅酮的粘接固化特性，將石墨烯通過捏煉分散于硅酮中，然后與鋁粉混煉均勻形成膏狀復(fù)合材料，進(jìn)一步固化研磨得到一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料。該母料與鋁粉具有良好的分散性，使得石墨烯與鋁形成的高質(zhì)量界面性，不但增強(qiáng)鋁合金，而且在大幅降低鋁合金制品的厚度的同時(shí)仍然保持高強(qiáng)度，使鋁合金進(jìn)一步輕質(zhì)化改性的關(guān)鍵材料。本發(fā)明一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料及制備方法，可以解決石墨烯在鋁基材料中難以均勻分散的難題，同時(shí)簡化工藝過程和降低能耗，提高石墨烯與鋁的界面結(jié)合的質(zhì)量，推動(dòng)鋁合金材料的輕質(zhì)化和強(qiáng)度改進(jìn)歷程。本發(fā)明具體涉及的技術(shù)方案如下：一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料的制備方法，其特征在于通利用硅酮的粘接固化特性，將石墨烯通過捏煉分散于硅酮中，然后與鋁粉混煉均勻形成膏狀復(fù)合材料，進(jìn)一步固化研磨得到一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料，具體步驟如下：（1）石墨烯與硅酮的捏煉：將石墨烯、硅酮、防老劑、硬脂酸、軟化劑及偶聯(lián)劑按重量份數(shù)：石墨烯10~20份、硅酮75~85份、防老劑0.5~1份、硬脂酸1~3份、軟化劑1~2份、偶聯(lián)劑0.3~0.5份，加入到捏煉機(jī)中，設(shè)置主電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、電壓、加壓空氣壓力參數(shù)，所述捏煉及混煉過程均應(yīng)在無水且氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下進(jìn)行；捏煉機(jī)的主電機(jī)功率設(shè)置為75~80kw；捏煉過程的轉(zhuǎn)速設(shè)置為950~1000r/min；捏煉過程的加壓空氣壓力設(shè)置為0.6~0.8mpa；捏煉至物料完全混合均勻，石墨烯與硅酮完成良好的界面結(jié)合；（2）將鋁粉加入溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5~1%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌1~1.5h，洗滌并干燥后，與步驟（1）得到的捏煉混合料按一定比例進(jìn)行混煉，經(jīng)15~20min；后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；（3）向步驟（2）得到的膏狀復(fù)合材料中一邊加入固化劑，一邊攪拌，固化過程的攪拌速度為220~250r/min，使其混合均勻，逐漸降低攪拌速率，直至停止，膏狀復(fù)合材料也逐漸固化，然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高的石墨烯母料。優(yōu)選的，步驟（1）所述石墨烯的固定碳含量應(yīng)不低于99.5%。優(yōu)選的，步驟（1）所述防老劑為n-(1，3-二甲基)丁基-n-苯基對(duì)苯二胺或n-異丙基-n-苯基對(duì)苯二胺。優(yōu)選的，步驟（1）所述軟化劑為非極性軟化劑，如凡士林、松焦油或松香。優(yōu)選的，步驟（1）所述偶聯(lián)劑為硅烷類偶聯(lián)劑，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷、3-（2，3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷或γ-巰丙基三甲氧基硅烷。優(yōu)選的，步驟（2）所述鋁粉的粒度應(yīng)為1~2μm，純度不低于99.93%。優(yōu)選的，步驟（2）所述鋁粉的使用量為捏煉混合料質(zhì)量的2~3倍。優(yōu)選的，步驟（3）所述固化劑為胺類固化劑，如乙烯基三胺、二氨基環(huán)己烷、二乙烯三胺或三甲基六亞甲基二胺；優(yōu)選的，步驟（3）所述固化劑的使用量為硅酮質(zhì)量的2~3%。一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料，其特征是由上述所述方法制備得到的石墨烯母料。該母料與鋁粉具有良好的分散性，和界面結(jié)合性，用于增強(qiáng)鋁合金，石墨烯與鋁形成的高質(zhì)量界面性將大幅提升鋁合金的強(qiáng)度。一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料及制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點(diǎn)和優(yōu)異的效果在于：1、本發(fā)明通過捏煉和固化將石墨烯分散與硅酮中，從而形成高質(zhì)量界面，形成了易于分散于鋁粉的石墨烯母料，對(duì)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)改性領(lǐng)域有著極大的推動(dòng)作用。2、本發(fā)明母料可有效提高鋁基材料的強(qiáng)度，同時(shí)大幅度降低鋁合金制品的厚度，是鋁合金進(jìn)一步輕質(zhì)化改進(jìn)的關(guān)鍵材料。3、本發(fā)明的工藝過程簡單，成本和能耗低，適宜于推動(dòng)規(guī)模化生產(chǎn)。具體實(shí)施方式以下通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。實(shí)施例1一種用于增強(qiáng)鋁合金的石墨烯母料及制備方法，其制備石墨烯母料的具體過程如下：將10kg石墨烯、85kg硅酮、0.5kgn-(1，3-二甲基)丁基-n-苯基對(duì)苯二胺、2kg硬脂酸、2kg凡士林及0.5kgγ-氨丙基三乙氧基硅烷，加入到捏煉機(jī)中，設(shè)置主電機(jī)功率為75kw，轉(zhuǎn)速為1000/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.6mpa，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將200kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為0.5%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.5h，洗滌并干燥后，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，與上述混合物一同進(jìn)行混煉，經(jīng)15min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入乙烯基三胺，一邊攪拌，使其混合均勻。乙烯基三胺的加入量為1.7kg，攪拌速度由220r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高的石墨烯母料。實(shí)施例2將15kg石墨烯、80kg硅酮、0.8kgn-(1，3-二甲基)丁基-n-苯基對(duì)苯二胺、2kg硬脂酸、1.8kg松焦油及0.4kgγ-氨丙基三乙氧基硅烷，加入到捏煉機(jī)中，設(shè)置主電機(jī)功率為80kw，轉(zhuǎn)速為970r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.7mpa，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將220kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為0.8%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.2h，洗滌并干燥后，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，與上述混合物一同進(jìn)行混煉，經(jīng)18min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入乙烯基三胺，一邊攪拌，使其混合均勻。乙烯基三胺的加入量為1.6kg，攪拌速度由240r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高的石墨烯母料。實(shí)施例3將20kg石墨烯、75kg硅酮、1kgn-(1，3-二甲基)丁基-n-苯基對(duì)苯二胺、2.5kg硬脂酸、1.2kg松香及0.3kg3-（2，3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，加入到捏煉機(jī)中，設(shè)置主電機(jī)功率為78kw，轉(zhuǎn)速為950r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.8mpa，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將250kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為1%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.5h，洗滌并干燥后，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，與上述混合物一同進(jìn)行混煉，經(jīng)20min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入二氨基環(huán)己烷，一邊攪拌，使其混合均勻。二氨基環(huán)己烷的加入量為1.5kg，攪拌速度由230r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高的石墨烯母料。實(shí)施例4將10kg石墨烯、85kg硅酮、0.5kgn-異丙基-n-苯基對(duì)苯二胺、2kg硬脂酸、2kg凡士林及0.5kg3-（2，3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，加入到捏煉機(jī)中，設(shè)置主電機(jī)功率為75kw，轉(zhuǎn)速為980r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.6mpa，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將260kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為0.5%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1h，洗滌并干燥后，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，與上述混合物一同進(jìn)行混煉，經(jīng)15min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入二氨基環(huán)己烷，一邊攪拌，使其混合均勻。二氨基環(huán)己烷的加入量為1.7kg，攪拌速度由240r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高的石墨烯母料。實(shí)施例5將15kg石墨烯、80kg硅酮、0.8kgn-異丙基-n-苯基對(duì)苯二胺、2kg硬脂酸、1.8kg松焦油及0.4kgγ-巰丙基三甲氧基硅烷，加入到捏煉機(jī)中，設(shè)置主電機(jī)功率為80kw，轉(zhuǎn)速為1000r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.7mpa，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將280kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為0.8%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.2h，洗滌并干燥后，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，與上述混合物一同進(jìn)行混煉，經(jīng)18min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入二乙烯三胺，一邊攪拌，使其混合均勻。二乙烯三胺的加入量為1.6kg，攪拌速度由250r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高的石墨烯母料。實(shí)施例6將20kg石墨烯、75kg硅酮、1kgn-異丙基-n-苯基對(duì)苯二胺、2.5kg硬脂酸、1.2kg松香及0.3kgγ-巰丙基三甲氧基硅烷，加入到捏煉機(jī)中，設(shè)置主電機(jī)功率為78kw，轉(zhuǎn)速為980r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.8mpa，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將300kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為1%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.5h，洗滌并干燥后，在無水及氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，與上述混合物一同進(jìn)行混煉，經(jīng)20min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入三甲基六亞甲基二胺，一邊攪拌，使其混合均勻。三甲基六亞甲基二胺的加入量為1.5kg，攪拌速度由230r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高的石墨烯母料。將上述實(shí)施例1-6得到的石墨烯母料以10%的質(zhì)量比例與鋁合金粉末復(fù)合，通過分散攪拌、壓實(shí)成型、熱拉拔、定型，得到增強(qiáng)的鋁合金材料。相較于未加入本發(fā)明石墨烯母料的鋁合金材料，材料強(qiáng)度大幅提升，其強(qiáng)度如下表1所示：表1：實(shí)施案例抗拉伸強(qiáng)度（mpa）屈服強(qiáng)度（mpa）維氏硬度（hv）未加石墨烯母料的鋁合金材料15312052實(shí)施例122017870實(shí)施例224515271實(shí)施例323617776實(shí)施例422716572實(shí)施例524117070實(shí)施例623117172當(dāng)前第1頁12