[发明专利]一种氧化锆改性石墨烯增强镁基复合材料的方法

说明书

一种氧化锆改性石墨烯增强镁基复合材料的方法，包括以下步骤：将氧化锆改性石墨烯加入到乙醇中得ZrO₂@GN溶液；加入镁合金粉搅拌得分散均匀的混合浆液，经过滤、真空干燥、冷压和烧结得ZrO₂@GN预制块，经切削加工得ZrO₂@GN增强体镁屑；熔炼镁合金，待炉料全部熔化后，加入预热好的增强体镁屑；待温度调至550‑780℃，进行机械搅拌（气体保护）得增强体分散较均匀的熔体，最后经真空吸铸制得ZrO₂@GN增强的镁基复合材料。本发明工艺成本低，安全可靠，操作简单，改性石墨烯在镁合金中分散较均匀、与界面结合质量好，晶粒细化效果好，复合材料性能优异，适于工业化制备高性能石墨烯/镁基复合材料。

技术领域

本发明属于金属复合材料制备领域，特别涉及镁基复合材料的制备方法。

背景技术

近年来，随着航空航天、汽车、电子、城市交通等领域的快速发展，对轻量化结构材料提出了更高的要求。作为最具希望的轻量化结构材料的镁合金复合材料，因具有高的比强度和比刚度、优异的耐磨、减振等特性，受到了广泛的关注和重视。而石墨烯（Graphene,GN）自2004年发现以来，由于其优越的导电、导热性能和超强的综合力学性能（弹性模量超过1TPa，强度约为最好钢材的100倍），被认为是镁合金理想的增强体。目前，石墨烯增强金属基复合材料还处于起始阶段，要制备高性能镁基复合材料需解决以下3个问题：一是如何实现石墨烯在镁基体中的均匀；二是如何解决石墨烯与镁基体的界面结合差问题；三是如何使石墨烯在复合材料制备过程中保持其结构的完整性。氧化锆可与镁基体发生界面反应，生成的界面产物氧化镁可以与镁基体形成强的界面结合，细化镁基体的晶粒组织。与此同时，界面反应可以改善石墨烯在镁基体中的分散性。因此，采用氧化锆对石墨烯进行表面改性，在其表面包覆一层均匀的氧化锆，则能够有效改善石墨烯在镁基体中的分散性，细化晶粒组织，并提高石墨烯与镁基体的界面结合强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化锆改性石墨烯增强镁基复合材料的方法。

本发明所述的一种氧化锆改性石墨烯增强镁基复合材料的方法，包括以下步骤。

（1）增强体预制块制备。

（a）将氧化锆改性石墨烯（Zirconia functionalized graphene, ZrO₂@GN）加入到适量的乙醇中，超声1-4h得到均匀分散的氧化锆改性石墨烯分散液。

（b）按AZ91镁合金与氧化锆改性石墨烯的质量比50-100﹕1-10，将粒度小于325目的AZ91镁合金粉末加入到步骤（a）所得混合液中，机械搅拌2-5h后获得分散较均匀的混合浆液。

（c）对步骤（b）所得混合浆液进行滤+真空干燥后转移至模具中，室温条件下采用600-1000MPa压力压制成ZrO₂@GN增强体预制块生坯。

（d）将步骤（c）所得预制块生坯在氩气保护下550-650℃烧结2-4h得到ZrO₂@GN增强体预制块。

（e）将步骤（d）所得预制块进行切削加工得到含有ZrO₂@GN增强体的镁屑。

（f）将步骤（e）所得镁屑预热至100-150℃备用。

（2）复合材料熔炼。

（g）炉体温度升高至200℃时，将一定量AZ91镁合金加入到坩埚中，并在炉料上均匀地撒上占镁合金重量比为1-2%的RJ2熔炼覆盖剂，同时通入CO₂和SF6保护气以防止熔炼过程中镁被氧化。继续升温至680-750℃，待炉料全部熔化后，去除其表面熔渣，静置10-30min后，加入步骤（1）预热好的含有ZrO₂@GN增强体的镁屑，待完全熔化后，去除熔体表面熔渣，再静置5-20min得到复合材料熔体。