一种石墨烯复合铝基叠层梯度材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种石墨烯复合铝基叠层梯度材料的制备方法 (Preparation method of graphene composite aluminum-based laminated gradient material ) 是由 赵宇宏 李沐奚 景舰辉 陈利文 李利民 段志强 侯华 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种石墨烯复合铝基叠层梯度材料的制备方法,其针对碳材料作为增强体易在铝合金基体中发生团聚、制备过程复杂、易产生不良的界面反应以及梯度叠层材料在制备难度大、制备过程复杂等问题,采用石墨烯、氮化硅作为铝合金的增强体,经超声分散、球磨混粉、单层等离子烧结、叠层整体等离子烧结,制得复合材料,以提高铝合金基体的力学性能；此制备方法工艺先进,数据精确翔实,复合材料组织致密性好,无缩孔、缩松缺陷,晶粒尺寸明显细化,石墨烯和氮化硅在铝合金基体中分散均匀,界面结合良好,抗拉强度达335Mpa,延伸率达9.8%,硬度达95HV,是先进的铝基叠层复合材料制备方法。(The invention relates to a preparation method of a graphene composite aluminum-based laminated gradient material, which aims at the problems that a carbon material is used as a reinforcement and is easy to agglomerate in an aluminum alloy matrix, the preparation process is complex, bad interface reaction is easy to generate, the preparation difficulty of the gradient laminated material is high, the preparation process is complex and the like, graphene and silicon nitride are used as the reinforcement of the aluminum alloy, and the composite material is prepared by ultrasonic dispersion, ball milling mixed powder, single-layer plasma sintering and laminated integral plasma sintering so as to improve the mechanical property of the aluminum alloy matrix; the preparation method has the advantages of advanced process, precise and detailed data, good compactness of the composite material tissue, no shrinkage cavity or shrinkage porosity defects, obviously refined grain size, uniform dispersion of the graphene and the silicon nitride in the aluminum alloy matrix, good interface bonding, tensile strength of 335Mpa, elongation of 9.8 percent and hardness of 95HV, and is an advanced preparation method of the aluminum-based laminated composite material.)
技术领域
本发明涉及一种石墨烯复合铝基叠层梯度材料的制备方法，属有色金属复合材料制备及应用的技术领域。
背景技术
铝合金具有密度小，比刚度和比强度高，阻尼性能和电磁屏蔽性能好，易切削加工和可二次回收等特点，在防护装甲材料领域具有广阔的应用前景，但其强度硬度不够高、弹性模量低等问题有待进一步解决，无法抵抗调整冲击。石墨烯作为新型碳材料具有高导电性、高导热性和高的力学性能，这些优异的性能使其作为金属基材料的增强体具有广阔的应用前景。
石墨烯具有稳定的二维几何结构，具有1Tpa的极高弹性模量和130Gpa的屈服强度，被认为是增强复合材料的一种很有前途的候选材料。但是，石墨烯增强铝基复合材料的性能并没有达到预期的效果，原因主要有以下几个方面：石墨烯与铝合金基体润湿性差，很难实现其在基体中均匀分散，极易造成石墨烯在基体中的团聚；以及制备工艺复杂繁琐；由于成型温度高，碳与金属基体极易发生不良的界面反应，产生脆性相，造成复合材料性能下降。
氮化硅是一种硬度极高的陶瓷材料。它还具有一些优异的性能，例如低密度，高弹性模量，良好的耐磨性和耐腐蚀性。由于其优异的综合性能，它被广泛应用于军工国防等领域。
功能梯度复合材料是在材料厚度方向通过改变其结构和组成使其成分和性能发生连续平稳的梯度变化，而在其内部没有明显界面。这种材料将热力学性能有显著差别的不同材料复合到一起，解决了在承受热冲击与高应变率载荷等苛刻环境下的异种材质的需求。功能梯度材料具有减小残余应力、缓和应力集中、提高粘结强度等多种优势，使得其在抗冲击装甲防护材料等方面发挥重要的作用。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的不足，采用石墨烯与氮化硅粉末作为纯铝基体的增强体，经超声分散、混合、SPS等离子梯度烧结得到功能梯度复合材料。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：石墨烯、纯铝粉末、氮化硅粉末、无水乙醇、氩气，各化学物质材料用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
石墨烯：C固态粉体0.14g±0.01g
纯铝粉末：Al固态粉体50g±0.01g
氮化硅粉末：Si3N4固态粉末5g±0.01g
无水乙醇：C2H5OH液态液体 2000mL ±50mL
氩气：Ar气态气体2500000cm3±100 cm3
制备方法如下：
（1）混合粉末A的制备
首先在500ml无水乙醇中加入0.14g石墨烯，利用超声波设备制得石墨烯悬浊液；其中，超声条件设定为：超声功率为720W，超声时间为4h；然后向石墨烯悬浊液中加入45g纯铝粉末，机械搅拌混合，搅拌条件设定为：搅拌速度300r/min，搅拌时间为2h；搅拌后过滤、干燥，由此得到石墨烯质量分数为0.3%的混合粉末A；
（2）混合粉末B的制备
称取五份混合粉末A，各份混合粉末A的质量分别是为10g、9.5g、9g、8.5g、8g，并将各份混合粉末A与氮化硅粉末0g、0.5g、1g、1.5g、2g分别混合，由此制得氮化硅质量分数为0%、5%、10%、15%、20%的混合粉末B；所述混合方式为球磨混合，具体操作如下：首先将混合粉末A、氮化硅粉末加入球磨机的真空球磨罐内，并加入40g磨球，使得磨球与待混合粉体的质量比为4:1；接着封闭真空球磨罐，抽真空后向真空球磨罐内通入氩气，使得真空球磨罐内的压强保持为1个大气压；而后在此条件下球磨，设定球磨转速为240rpm，为避免温度过高，球磨分两次进行，每次球磨1h，第一次球磨后停机15min以降温；
（3）单层材料的烧结
利用SPS放电等离子烧结炉，分别将氮化硅质量分数为0%、5%、10%、15%、20%的混合粉末B烧结，由此制得氮化硅质量分数为0%、5%、10%、15%、20%的单层材料；各个单层材料的烧结温度均为560℃；
所述烧结操作是采用如下步骤实现的：
清理石墨模具：依次用金属铲、金属刷清理石墨模具的内部，而后用无水乙醇清 洗石墨模具的内表面，使得石墨模具的内表面洁净；
②将待烧结的混合粉末B放入石墨模具内，而后用保温碳毡捆好石墨模具，捆好后将石墨模具放入烧结炉炉体内的石墨板上；
③接通电源，打开轴向压力装置，调整压头初始压力为10MPa，降下压头以压牢石墨模具，同时使得石墨模具上的热电偶孔与红外仪孔和烧结炉炉体的热电偶孔与红外仪孔在同一水平线上，而后关闭烧结炉炉体的炉门并上锁；
④抽真空：关闭真空阀，启动真空泵，待真空泵运转正常后打开与烧结炉炉体连通的真空阀，对烧结炉炉体抽真空至10Pa，关闭真空阀，停止真空泵；
⑤试通水：打开进水阀，设定进水量为0.2MPa-0.3MPa；确认水路通畅后，关闭进水阀，打开水泵的电源空气开关，由此将冷却水抽回；
⑥升温：设定升温速率为80℃/min，升温过程中启动液压泵将压头压力提升至20MPa，并保持该压力直至升温结束；
⑦当温度上升至设定温度后，保持该设定温度烧结20min，在此过程中，热电偶对炉内温度实时监测，直流脉冲电对混合粉末B烧结，液压泵将压头压力提升至50MPa，并保持该压头压力直至烧结结束；
⑧烧结结束后，采取水冷方式对烧结炉炉体进行冷却，当烧结炉炉体内温度达到室温以下时，打开烧结炉炉体的炉门，升高压头，取出并打开石墨模具，脱模取出单层材料；
（3）梯度叠层材料的整体烧结
①清理石墨模具：依次用金属铲、金属刷清理石墨模具的内部，而后用无水乙醇清洗石墨模具的内表面，使得石墨模具的内表面洁净；
②将氮化硅质量分数为20%的单层材料放入石墨模具内，并在氮化硅质量分数为20%的单层材料的上表面均匀铺厚度为1mm-2mm的第一层纯铝粉末；将氮化硅质量分数为15%的单层材料放在第一层纯铝粉末的上表面，并在氮化硅质量分数为15%的单层材料的上表面均匀铺厚度为1mm-2mm的第二层纯铝粉末；将氮化硅质量分数为10%的单层材料放在第二层纯铝粉末的上表面，并在氮化硅质量分数为10%的单层材料的上表面均匀铺厚度为1mm-2mm的第三层纯铝粉末；将氮化硅质量分数为5%的单层材料放在第三层纯铝粉末的上表面，并在氮化硅质量分数为5%的单层材料的上表面均匀铺厚度为1mm-2mm的第四层纯铝粉末；将氮化硅质量分数为0%的单层材料放在第四层纯铝粉末的上表面，由此完成梯度叠层材料的铺设；
③用保温碳毡捆好石墨模具，捆好后将石墨模具放入烧结炉炉体内的石墨板上；
④接通电源，打开轴向压力装置，调整压头初始压力为10MPa，降下压头以压牢石墨模具，同时使得石墨模具上的热电偶孔与红外仪孔和烧结炉炉体的热电偶孔与红外仪孔在同一水平线上，而后关闭烧结炉炉体的炉门并上锁；
⑤抽真空：关闭真空阀，启动真空泵，待真空泵运转正常后打开与烧结炉炉体连通的真空阀，对烧结炉炉体抽真空至10Pa，关闭真空阀，停止真空泵；
⑥试通水：打开进水阀，设定进水量为0.2MPa-0.3MPa；确认水路通畅后，关闭进水阀，打开水泵的电源空气开关，由此将冷却水抽回；
⑦升温：设定烧结温度为560℃、升温速率为80℃/min，升温过程中启动液压泵将压头压力提升至20MPa，并保持该压力直至升温结束；
⑧当温度上升至560℃后，保持该设定温度烧结20min，在此过程中，热电偶对炉内温度实时监测，直流脉冲电对梯度叠层材料烧结，液压泵将压头压力提升至50MPa，并保持该压头压力直至烧结结束；
⑨烧结结束后，采取水冷方式对烧结炉炉体进行冷却，当烧结炉炉体内温度达到室温以下时，打开烧结炉炉体的炉门，升高压头，取出并打开石墨模具，脱模取出铝基叠层复合材料，由此制得铝基叠层复合材料；
（4）铝基叠层复合材料的后处理：首先清理铝基叠层复合材料的外表面，接着用400目砂纸打磨铝基叠层复合材料的外表面，然后用无水乙醇清洗铝基叠层复合材料的外表面，最后晒干；
（5）对铝基叠层复合材料的抗拉强度、延伸率和硬度进行检测：用电子万能试验机进行抗拉强度及延伸率分析；用维氏硬度计进行硬度分析；
结论：铝基叠层复合材料的组织致密性好，无缩孔、缩松缺陷，石墨烯和氮化硅在基体中分散均匀，界面结合良好，抗拉强度达335Mpa，延伸率达9.8%，硬度达95HV。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对碳材料作为增强体易在铝合金基体中发生团聚、制备过程复杂、易产生不良的界面反应以及梯度叠层材料在制备难度大、制备过程复杂等问题，采用石墨烯、氮化硅作为铝合金的增强体，经超声分散、球磨混粉、单层等离子烧结、叠层整体等离子烧结，制得复合材料，以提高铝合金基体的力学性能；此制备方法工艺先进，数据精确翔实，复合材料的组织致密性好，无缩孔、缩松缺陷，晶粒尺寸明显细化，石墨烯和氮化硅在铝合金基体中分散均匀，界面结合良好，抗拉强度达335Mpa，延伸率达9.8%，硬度达95HV，是先进铝基叠层复合材料制备方法。
附图说明
图1是发明中利用SPS放电等离子烧结炉制备铝基叠层复合材料的状态图；
图2是图1中梯度叠层材料的结构示意图。
图中，1-总控制柜，2-第一电缆，3-第二电缆，4-第一等离子脉冲电流产生装置，5-第二等离子脉冲电流产生装置，6-第一电极，7-第二电极，8-轴向压力装置，9-压杆，10-压头，11-烧结炉外壳体，12-烧结炉炉体，13-热电偶，14-炉腔观察窗，15-加热器，16-石墨板，17-石墨模具，18-循环冷却水水箱，19-水泵，20-进水阀，21-真空泵，22-显示屏，23-控制指示灯，24-报警器，25-总开关，26-时间设定开关，27-真空泵开关，28-压力设定开关，29-等离子脉冲电流设定开关，30-循环冷却水控制开关，31-温度设定开关，32-梯度叠层材料，33-氮化硅质量分数为20%的单层材料，34-第一层纯铝粉末，35-氮化硅质量分数为15%的单层材料，36-第二层纯铝粉末，37-氮化硅质量分数为10%的单层材料，38-第三层纯铝粉末，39-氮化硅质量分数为5%的单层材料，40-第四层纯铝粉末，41-氮化硅质量分数为0%的单层材料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为利用SPS放电等离子烧结炉制备铝基叠层复合材料的状态图；
整套制备装置包括总控制柜1、第一电缆2、第二电缆3、第一等离子脉冲电流产生装置4、第二等离子脉冲电流产生装置5、第一电极6、第二电极7、轴向压力装置8、压杆9、压头10、烧结炉外壳体11、烧结炉炉体12、热电偶13、炉腔观察窗14、加热器15、石墨板16、石墨模具17、循环冷却水水箱18、水泵19、进水阀20、真空泵21；其中，总控制柜1上设置有显示屏22、控制指示灯23、报警器24、总开关25、时间设定开关26、真空泵开关27、压力设定开关28、等离子脉冲电流设定开关29、循环冷却水控制开关30、温度设定开关31；
总控制柜1通过第一电缆2和第二电缆3分别控制第一等离子脉冲电流产生装置4、第二等离子脉冲电流产生装置5、轴向压力装置8、加热器15、水泵19、进水阀20、真空泵21的工作状态；
烧结炉外壳体11设于烧结炉炉体12的外部；加热器15设于烧结炉炉体12的内侧壁；热电偶13、炉腔观察窗14设于烧结炉炉体12的侧壁；石墨板16设于烧结炉炉体12的底壁；石墨模具17设于石墨板16的上侧；压头10设于石墨模具17的顶部；压杆9设于压头10的上侧；轴向压力装置8设于压杆9的上侧；第一等离子脉冲电流产生装置4设于轴向压力装置8的上侧，且通过位于压头10下侧的第一电极6释放脉冲电流；第二等离子脉冲电流产生装置5设于烧结炉炉体12的下方，且通过位于石墨板16下侧的第二电极7释放脉冲电流；循环冷却水水箱18与烧结炉炉体12的内腔连通；进水阀20设置于循环冷却水水箱18与烧结炉炉体12之间；水泵19设于循环冷却水水箱18旁；真空泵21与烧结炉炉体12的内腔连通；
制备时，将梯度叠层材料32放置于石墨模具17的内腔，确保整套制备装置的位置、连接关系正确，且安装牢固；然后开启总开关25，加热器15对烧结炉炉体12的内腔进行加热；通过热电偶13实时监测烧结炉炉体12内的温度；通过炉腔观察窗14实时观察烧结炉炉体12内的烧结状态；石墨板16一是为石墨模具17提供支撑面，二是能够实现导电功能；轴向压力装置8通过压杆9、压头10对梯度叠层材料32施压；第一等离子脉冲电流产生装置4通过第一电极6对梯度叠层材料32释放脉冲电流；第二等离子脉冲电流产生装置5通过第二电极7对梯度叠层材料32释放脉冲电流；循环冷却水水箱18通过循环冷却水对烧结炉炉体12进行冷却，且冷却过程由进水阀20、水泵19来控制，待烧结炉炉体12冷却至室温后循环冷却水返回循环冷却水水箱18；真空泵21能够对烧结炉炉体12抽真空，由此实现铝基叠层复合材料的制备。在此过程中，真空泵21能够对烧结炉炉体12内的压力进行调节；总控制柜1通过时间设定开关26对烧结时间进行设定；总控制柜1通过真空泵开关27对抽真空过程进行控制；总控制柜1通过温度设定开关31来启动加热器15对烧结炉炉体12进行升温；总控制柜1通过压力设定开关28对轴向压力装置8的施压过程进行控制；总控制柜1通过等离子脉冲电流设定开关29对第一等离子脉冲电流产生装置4、第二等离子脉冲电流产生装置5的脉冲电流参数进行控制；总控制柜1通过循环冷却水控制开关30对进水阀20、水泵19进行控制；显示屏22能够显示整套制备装置的运行状态；控制指示灯23能够将整套制备装置的运行状态进行指示；报警器24能够在整套制备装置运行异常时进行报警。
图2所示，为图1中梯度叠层材料结构示意图。
具体实施过程中，所述轴向压力装置8包括液压泵；所述热电偶13为K型热电偶；所述压头10为可更换式压头。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员就当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更和修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
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