本發(fā)明涉及石墨烯復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種電爆炸噴霧制備石墨烯-鋁合金復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
：石墨烯是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)。石墨烯是單原子層的石墨薄膜，其晶格是由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩結(jié)構(gòu)。該材料具有許多新奇的物理特性，它是目前已知在常溫下導(dǎo)電性能最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般導(dǎo)體。此外，石墨烯作為一種先進(jìn)的增強(qiáng)材料，其為發(fā)展新型高性能金屬帶來了巨大的發(fā)展空間。石墨烯復(fù)合金屬材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量的性能特點(diǎn)，在軍工的航空航天領(lǐng)域、輕型汽車、體育器材領(lǐng)域具有重要的作用。但是石墨烯與金屬?gòu)?fù)合在制備工藝上存在幾大問題：一是石墨烯與基體合金潤(rùn)濕性差，如何解決界面問題；二是納米尺度的石墨烯增強(qiáng)體顆粒加入，如何解決分散均勻性。如直接將石墨烯分散于鋁合金一方面需要將鋁合金完全熔化，另一方面石墨烯的分散性難以控制，因而，選擇適宜的制備方法成為石墨金屬?gòu)?fù)合材料的關(guān)鍵。石墨烯的制備方法主要包括化學(xué)氣相沉積法、氧化插層再還原法、液相剝離法、機(jī)械剝離法、電爆炸法。其中化學(xué)氣相沉積法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯，然而產(chǎn)率低，對(duì)襯底要求高，轉(zhuǎn)移存在極大的困難；氧化插層再還原法可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)石墨烯，但是由于氧化過程中石墨烯的結(jié)構(gòu)遭到破壞，難以得到高質(zhì)量的石墨烯產(chǎn)品；液相剝離法是在合適的溶劑中，利用超聲能量對(duì)石墨片層進(jìn)行解離，然而，溶劑剝離法制備石墨烯存在難以去除殘留溶劑的問題，而且溶劑剝離產(chǎn)率一般很低。相比之下，電爆炸法是一種大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)出高質(zhì)量石墨烯易行的方法。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01510230893.3公開了一種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法,將石墨棒固定于電極之間；向電爆炸罐中加入蒸餾水，將電爆炸罐密封；向電爆炸系統(tǒng)中的高壓電容組充電，后啟動(dòng)電爆炸系統(tǒng)；放電結(jié)束后打開電爆炸罐，收集電爆炸罐內(nèi)的懸濁液；將懸濁液進(jìn)行超聲分散處理后靜置，過濾；向?yàn)V液中加入鹽酸，過濾，洗滌至中性，真空干燥得到所述石墨烯材料。但是，這種電爆炸制備石墨烯方法只能在爆炸管中間斷工作，導(dǎo)致制備過程不連續(xù)。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01210160242.8公開了一種爆炸制備石墨烯的方法，首先將分解爆炸性物質(zhì)與膨脹石墨混合后加入到反應(yīng)器內(nèi)密封，再將反應(yīng)器加熱至400℃～600℃，保持3～5分鐘，自然冷卻至室溫，收集產(chǎn)物，獲得所述石墨烯。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01510230895.2公開了一種利用電爆炸制備氮摻雜石墨烯材料的方法，屬于工藝
技術(shù)領(lǐng)域：
。所述方法是組裝和調(diào)試電爆炸系統(tǒng)后將石墨棒固定于電極之間；向電爆炸罐中加入氮源溶液，將電爆炸罐密封；向電爆炸系統(tǒng)中的高壓電容組充電，后啟動(dòng)電爆炸系統(tǒng)；放電結(jié)束后打開電爆炸罐，收集電爆炸罐內(nèi)的懸濁液；將懸濁液進(jìn)行超聲分散處理后靜置，過濾；向?yàn)V液中加入鹽酸，過濾，洗滌至中性，真空干燥得到所述氮摻雜石墨烯材料。但是該方案需要液相環(huán)境，導(dǎo)致石墨烯表面攜帶雜質(zhì)，降低石墨烯性能。目前已有利用電爆炸法制備石墨烯的技術(shù)，但是利用電爆炸法制備石墨烯復(fù)合材料的技術(shù)還比較少。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)將石墨烯難以均勻分散于鋁合金制備復(fù)合材料的缺陷，本發(fā)明提出一種利用爆炸法制備石墨烯-鋁合金復(fù)合材料的方法，通過將石墨粉高壓噴霧至電極，脈沖大電流發(fā)生持續(xù)放電，將鋁合金爆炸瞬時(shí)形成高溫、高壓熔融粒子，石墨被裂解為石墨烯，與鋁合金分散并快速冷卻形成超細(xì)、高結(jié)合強(qiáng)度的超細(xì)石墨烯-鋁合金復(fù)合材料。為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種電爆炸噴霧制備石墨烯-鋁合金復(fù)合材料的方法，采用石墨粉作為原料，鋁合金電極作為鋁源，包括以下步驟：（1）清洗石墨粉，除去雜質(zhì)后，氬氣保護(hù)烘干備用；（2）采用研磨設(shè)備研磨石墨粉，得到超細(xì)石墨粉；（3）將所述超細(xì)石墨粉用高壓氣流霧化，噴向預(yù)先設(shè)置的兩電極之間，所述兩電極之間提供10-20a的交變電流，所述電極采用導(dǎo)電金屬材質(zhì)，表面覆蓋鋁合金板，所述超細(xì)石墨粉在沖擊大電流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同時(shí)鋁合金金屬板在爆炸瞬時(shí)形成的高溫、高壓下，變成熔融粒子，與石墨烯復(fù)合，并快速冷卻，形成超細(xì)、高結(jié)合強(qiáng)度的超細(xì)石墨烯-鋁合金復(fù)合材料。可選的，所述石墨粉材料為鱗片石墨、膨脹石墨、高取向石墨、熱裂解石墨、氧化石墨中的至少一種?？蛇x的，所述清洗石墨粉包括以下步驟：首先在hf溶液中超聲0.5~1分鐘，去除石墨表面雜質(zhì)，最后用去離子水沖洗，去除hf殘留液，在80~90℃的氬氣保護(hù)下烘干石墨粉；所述hf溶液濃度為3.5~5%?？蛇x的，所述氬氣保護(hù)干燥的氬氣為純度為99.9%，氬氣的環(huán)境氣壓為100~1000pa。可選的，所述研磨設(shè)備為：球磨機(jī)、砂磨機(jī)、同向嚙合螺桿擠出機(jī)或反向嚙合螺桿擠出機(jī)中的一種。可選的，設(shè)置研磨設(shè)備的溫度至60～350℃?？蛇x的，所述高壓氣流的噴口壓力為8-12mpa，出口流速為20.8-24.4米/秒。本發(fā)明將鋁合金連接在電極上，通過將石墨粉高壓噴霧至電極，脈沖大電流發(fā)生持續(xù)放電，將鋁合金爆炸瞬時(shí)形成高溫、高壓熔融粒子，同時(shí)石墨被解裂為石墨烯，在高壓沖擊波作用下石墨烯與鋁合金分散并快速冷卻形成超細(xì)、高結(jié)合強(qiáng)度的超細(xì)石墨烯-鋁合金復(fù)合材料。集石墨烯剝離與分散于一體，將石墨烯均勻分散于鋁合金中，成分的發(fā)揮石墨烯對(duì)鋁合金的增強(qiáng)作用，得到的石墨烯-鋁合金復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量的性能特點(diǎn)，在軍工的航空航天領(lǐng)域、輕型汽車、體育器材領(lǐng)域具有重要的作用。本發(fā)明提出一種利用爆炸法制備石墨烯-鋁合金復(fù)合材料的方法，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)明提供的一種電爆炸噴霧制備石墨烯-鋁合金復(fù)合材料的方法，能夠在不需要完全熔化鋁合金條件下直接將石墨烯分散于鋁合金，并且獲得石墨烯分散性較高。2、本發(fā)明在制備過程中未涉及化學(xué)反應(yīng)，避免了化學(xué)反應(yīng)對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的破壞，獲得的產(chǎn)品質(zhì)量較高，對(duì)環(huán)境造成污染少。3、本發(fā)明反應(yīng)條件可控，生產(chǎn)原料可回收，制備效率高，生產(chǎn)成本降低，具備大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)條件。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（1）將鱗片石墨粉在溶液濃度為5%的hf溶液中超聲1分鐘，去除石墨表面雜質(zhì)，最后用去離子水沖洗，去除hf殘留液，在環(huán)境氣壓為1000pa，80℃純度為99.9%的氬氣保護(hù)下烘干石墨粉，除去雜質(zhì)后，氬氣保護(hù)烘干備用；（2）將石墨粉材料放入球磨機(jī)中，設(shè)置球磨機(jī)的溫度至60℃，研磨速度為320rpm/min，經(jīng)過研磨后獲得更細(xì)的固體產(chǎn)物為石墨細(xì)粉；（3）將所述超細(xì)石墨粉石用高壓氣流霧化，高壓氣流的噴口壓力為8mpa，出口流速為24.4米/秒，噴向預(yù)先設(shè)置的兩電極之間，所述兩電極之間提供20a的交變電流，兩個(gè)電極之間的交變電場(chǎng)為電壓為5kv，交變頻率為100hz，電極采用無氧銅板，表面覆蓋1085鋁合金板，所述超細(xì)石墨粉在沖擊大電流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同時(shí)鋁合金金屬板在爆炸瞬時(shí)形成的高溫、高壓下，變成熔融粒子，與石墨烯復(fù)合，并快速冷卻，形成超細(xì)、高結(jié)合強(qiáng)度的超細(xì)石墨烯-鋁合金復(fù)合材料。對(duì)實(shí)施例中制備獲得的石墨烯-鋁合金復(fù)合材料利用3d打印激光燒結(jié)成型，對(duì)得到的制品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。其顯現(xiàn)出良好的強(qiáng)度，相較于直接熔融分散添加石墨烯的同類鋁合金材料，其強(qiáng)度提升明顯。實(shí)施例2（1）將熱裂解石墨粉在溶液濃度為3.5%的hf溶液中超聲0.5分鐘，去除熱裂解石墨表面雜質(zhì)，最后用去離子水沖洗，去除hf殘留液，在環(huán)境氣壓為100pa，90℃純度為99.9%的氬氣保護(hù)下烘干熱裂解石墨粉，除去雜質(zhì)后，氬氣保護(hù)烘干備用；（2）將石墨粉材料放入砂磨機(jī)中，設(shè)置砂磨機(jī)的溫度至150℃，研磨速度為350rpm/min，經(jīng)過研磨后獲得更細(xì)的固體產(chǎn)物為石墨細(xì)粉；（3）將所述超細(xì)石墨粉石用高壓氣流霧化，高壓氣流的噴口壓力為9mpa，出口流速為21米/秒，所述兩電極之間提供10a的交變電流，兩個(gè)電極之間的交變電場(chǎng)為電壓為1.5kv，交變頻率為1000hz，電極采用無氧鎳板，表面覆蓋1050鋁合金板，所述超細(xì)石墨粉在沖擊大電流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同時(shí)鋁合金金屬板在爆炸瞬時(shí)形成的高溫、高壓下，變成熔融粒子，與石墨烯復(fù)合，并快速冷卻，形成超細(xì)、高結(jié)合強(qiáng)度的超細(xì)石墨烯-鋁合金復(fù)合材料。對(duì)實(shí)施例中制備獲得的石墨烯-鋁合金復(fù)合材料利用3d打印激光燒結(jié)成型，對(duì)得到的制品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。其顯現(xiàn)出良好的強(qiáng)度，相較于直接熔融分散添加石墨烯的同類鋁合金材料，其強(qiáng)度提升明顯。實(shí)施例3（1）將氧化石墨粉在溶液濃度為4.5%的hf溶液中超聲0.7分鐘，去除氧化石墨表面雜質(zhì)，最后用去離子水沖洗，去除hf殘留液，在環(huán)境氣壓為500pa，85℃純度為99.9%的氬氣保護(hù)下烘干石墨粉，除去雜質(zhì)后，氬氣保護(hù)烘干備用；（2）將石墨粉材料放入同向嚙合螺桿擠出機(jī)中，設(shè)置同向嚙合螺桿擠出機(jī)的溫度至250℃，擠出速度為450rpm/min，經(jīng)過研磨后獲得更細(xì)的固體產(chǎn)物為石墨細(xì)粉；（3）將所述超細(xì)石墨粉石用高壓氣流霧化，高壓氣流的噴口壓力為12mpa，出口流速為24.4米/秒，所述兩電極之間提供15a的交變電流，兩個(gè)電極之間的交變電場(chǎng)為電壓為4.5kv，交變頻率為1mhz，電極采用無氧鎳板，表面覆蓋1080鋁合金板，所述超細(xì)石墨粉在沖擊大電流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同時(shí)鋁合金金屬板在爆炸瞬時(shí)形成的高溫、高壓下，變成熔融粒子，與石墨烯復(fù)合，并快速冷卻，形成超細(xì)、高結(jié)合強(qiáng)度的超細(xì)石墨烯-鋁合金復(fù)合材料。對(duì)實(shí)施例中制備獲得的石墨烯-鋁合金復(fù)合材料利用3d打印激光燒結(jié)成型，對(duì)得到的制品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。其顯現(xiàn)出良好的強(qiáng)度，相較于直接熔融分散添加石墨烯的同類鋁合金材料，其強(qiáng)度提升明顯。實(shí)施例4（1）將膨脹石墨粉在溶液濃度為4%的hf溶液中超聲0.7分鐘，去除石墨表面雜質(zhì)，最后用去離子水沖洗，去除hf殘留液，在環(huán)境氣壓為500pa，85℃純度為99.9%的氬氣保護(hù)下烘干石墨粉，除去雜質(zhì)后，氬氣保護(hù)烘干備用；（2）將石墨粉材料放入反向嚙合螺桿擠出機(jī)中，設(shè)置反向嚙合螺桿擠出機(jī)的溫度至250℃，擠出速度為520rpm/min，經(jīng)過研磨后獲得更細(xì)的固體產(chǎn)物為石墨細(xì)粉；（3）將所述超細(xì)石墨粉石用高壓氣流霧化，高壓氣流的噴口壓力為11mpa，出口流速為22米/秒，噴向預(yù)先設(shè)置的兩電極之間，所述兩電極之間提供20a的交變電流，兩個(gè)電極之間的交變電場(chǎng)為電壓為1kv，交變頻率為1mhz，電極采用無氧銅板，表面覆蓋1070鋁合金板，所述超細(xì)石墨粉在沖擊大電流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同時(shí)鋁合金金屬板在爆炸瞬時(shí)形成的高溫、高壓下，變成熔融粒子，與石墨烯復(fù)合，并快速冷卻，形成超細(xì)、高結(jié)合強(qiáng)度的超細(xì)石墨烯-鋁合金復(fù)合材料。對(duì)實(shí)施例中制備獲得的石墨烯-鋁合金復(fù)合材料利用3d打印激光燒結(jié)成型，對(duì)得到的制品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。其顯現(xiàn)出良好的強(qiáng)度，相較于直接熔融分散添加石墨烯的同類鋁合金材料，其強(qiáng)度提升明顯。實(shí)施例5（1）鱗片石墨與熱裂解石墨混合，將混合石墨粉在溶液濃度為5%的hf溶液中超聲0.5分鐘，去除石墨表面雜質(zhì)，最后用去離子水沖洗，去除hf殘留液，在環(huán)境氣壓為1000pa，89℃純度為99.9%的氬氣保護(hù)下烘干石墨粉，除去雜質(zhì)后，氬氣保護(hù)烘干備用；（2）將混合石墨粉材料放入球磨機(jī)中，設(shè)置球磨機(jī)的溫度至60℃，研磨速度為450rpm/min，經(jīng)過研磨后獲得更細(xì)的固體產(chǎn)物為石墨細(xì)粉，并且石墨粉材料均勻分散在液態(tài)石蠟中，得到石墨粉石蠟均勻分散體；（3）將所述超細(xì)石墨粉石用高壓氣流霧化，高壓氣流的噴口壓力為8mpa，出口流速為21米/秒，噴向預(yù)先設(shè)置的兩電極之間，所述兩電極之間提供15a的交變電流，兩個(gè)電極之間的交變電場(chǎng)為電壓為3kv，交變頻率為0.5mhz，電極采用無氧鉑板，表面覆蓋1085鋁合金板，所述超細(xì)石墨粉在沖擊大電流作用下，爆炸裂解成石墨烯，同時(shí)鋁合金金屬板在爆炸瞬時(shí)形成的高溫、高壓下，變成熔融粒子，與石墨烯復(fù)合，并快速冷卻，形成超細(xì)、高結(jié)合強(qiáng)度的超細(xì)石墨烯-鋁合金復(fù)合材料。對(duì)實(shí)施例中制備獲得的石墨烯-鋁合金復(fù)合材料利用3d打印激光燒結(jié)成型，對(duì)得到的制品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。其顯現(xiàn)出良好的強(qiáng)度，相較于直接熔融分散添加石墨烯的同類鋁合金材料，其強(qiáng)度提升明顯。表1：性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度(mpa)屈服強(qiáng)度(mpa)延伸率（%）石墨烯加入熔融1085鋁合金分散樣品53043011.0實(shí)施例一78668922.4石墨烯加入熔融1050鋁合金分散樣品5584549.1實(shí)施例二75265823.5石墨烯加入熔融1080鋁合金分散樣品5014009.6實(shí)施例三77668824.0石墨烯加入熔融1070鋁合金分散樣品4874059.2實(shí)施例四73569721.7石墨烯加入熔融1085鋁合金分散樣品53043011.0實(shí)施例五78165519.4從表1可以看出，本發(fā)明方法制備的石墨烯-鋁合金復(fù)合材料相比于對(duì)應(yīng)條件下熔融加入石墨烯的鋁合金材料，在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率方面均有大幅提升。當(dāng)前第1頁(yè)12