[发明专利]一种碳颗粒铝合金复合材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及合金材料制造领域，具体涉及一种碳颗粒铝合金复合材料制备方法。

背景技术

铝基复合材料因具有密度小、耐腐蚀等许多优点而成为近年优先发展的新材料。其中颗粒、晶须、短纤维等非连续增强的铝基复合材料因为可以应用传统的合金材料成形工艺制取且具有各向同性和良好的二次加工性而受到重视。

目前，颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法，喷射沉积法，搅拌复合铸造法等多种方法。搅拌铸造法相比粉末冶金法和喷射沉积法而言，制备工艺设备简单，制备成本低廉，便于工业化生产，而且可以制造出形状复杂的零件，是目前最受重视、关注最多的复合材料制备方法。但是，该方法必须解决增强体颗粒与铝熔体的润湿性和增强体颗粒在铝熔体中的均匀分散两个关键技术问题，才能获得组织致密、颗粒分散均匀、界面结合良好、性能优异的复合材料。

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列构成的单层平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，具有优异的力学性能和极小的尺寸，是一种很好的合金复合材料增强相。

发明内容

本发明提供一种碳颗粒铝合金复合材料制备方法，本发明方法简单、可靠、经济，只经简单重熔就仍可得到很好的复合材料,完全熔化后升至较高温度时,用工具搅动也看不到颗粒浮出或沉底,而且这种重熔可以反复进行多次，制备方法还实现了石墨烯材料与铝合金颗粒的很好的结合，由于多次大的变形，可以使复合材料达到很高的致密度，提高了基体的力学性能，明显提高了复合铝合金材料的强度、韧性以及耐磨性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种碳颗粒铝合金复合材料制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）制备石墨烯颗粒

将250g天然石墨和由4.5L浓硫酸和0.5L浓磷酸组成的5L混酸混合于反应釜内并用电控磁力搅拌器搅拌均匀，在低于20℃的情况下缓慢加入500g高锰酸钾；之后，密封反应釜并升温至85-90℃反应2-3小时，将产物从反应釜下端取出，稀释成40L溶液，加入0.6L双氧水得亮黄色氧化石墨溶液；然后，用酸和水交替离心洗涤，至溶液pH=5-6，去除杂质离子；最后，超声分散氧化石墨，配置出一定浓度的氧化石墨烯溶液；

将2L的0.5mg/mL 氧化石墨烯溶液转移至反应釜内，在磁力搅拌下加入12-36g铁粉和0.8-1.8L的浓盐酸，75-90℃反应4-5小时；然后静置，用盐酸抽滤洗涤除去残留的铁粉，再水洗抽滤除酸；最后冷冻干燥，研磨过筛得石墨烯颗粒；

（2）将A357铝合金为基体材料，在半固态下进行搅拌，所述的基体材料为颗粒大小为14.2μm，半固态下搅拌时间为6个小时；

在搅拌半固态浆体完成后，加入石墨烯颗粒，加热的同时继续搅拌，得到液态铝合金材料；

将液态铝合金材料降温至液-固两相区，放置于惰性气体中；在惰性气体环境中液态搅拌液态复合材料，并逐步将温度降低至常温，可得到高质量的碳颗粒铝合金复合材料。

优选的，在步骤（2）中所述的降温方式为静置降温至液-固共存状态；所述的惰性气体为氦、氖、氩、氪、氙、氡；在复合过程中没有颗粒漂浮或聚沉，中粗颗粒能取得满意的分散效果。

本发明的优点在于，方法简单、可靠、经济，只经简单重熔就仍可得到很好的复合材料,完全熔化后升至较高温度时,用工具搅动也看不到颗粒浮出或沉底,而且这种重熔可以反复进行多次，制备方法还实现了石墨烯材料与铝合金颗粒的很好的结合，由于多次大的变形，可以使复合材料达到很高的致密度，提高了基体的力学性能，明显提高了复合铝合金材料的强度、韧性以及耐磨性能。

具体实施方式

实施例一

将250g天然石墨和由4.5L浓硫酸和0.5L浓磷酸组成的5L混酸混合于反应釜内并用电控磁力搅拌器搅拌均匀，在低于20℃的情况下缓慢加入500g高锰酸钾；之后，密封反应釜并升温至85℃反应2小时，将产物从反应釜下端取出，稀释成40L溶液，加入0.6L双氧水得亮黄色氧化石墨溶液；然后，用酸和水交替离心洗涤，至溶液pH=5-6，去除杂质离子；最后，超声分散氧化石墨，配置出一定浓度的氧化石墨烯溶液。