[发明专利]一种石墨烯包覆钛复合粉体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料制备领域，尤其涉及一种石墨烯包覆钛复合粉体材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的二维蜂窝状晶体，是目前世界上最薄的二维材料。由于稳定的结构特性，石墨烯具有许多优异的特性，如超高的抗拉强度及硬度，优异的导电、导热性，低密度，巨大的比表面积等。基于这些特性，自发现以来，石墨烯已在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能等多个领域中表现出了潜在的应用前景。石墨烯作为一种性能优异的增强相，在复合材料领域同时引起了广泛关注。但由于二维材料的热力学不稳定性，导致单层石墨烯极易团聚；加之石墨烯和金属基体之间的润湿性较差，使其在金属复合材料基体中难以均匀分散。但采用氧化石墨烯代替石墨烯可有效解决上述问题，因为氧化石墨烯表面带有大量羧基、羟基等含氧官能团，在极性溶剂中具有良好的分散性，且氧化石墨烯可由膨胀石墨制备获得，成本低廉，氧化石墨烯在还原剂或快速升温条件下可脱掉大部分含氧官能团，再次被还原为石墨烯包覆在金属表面，得到石墨烯/金属复合材料；故将氧化石墨烯作为前驱体，以氧化石墨烯为中间物质，并经还原反应制备石墨烯/金属复合材料具有很大的优越性。

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域；但其低热导、低抗磨损性能等大大限制了钛及钛合金在许多领域的应用，石墨烯具备优异的热学、力学性能，将其作为添加相可以同时改善钛合金的导热和力学性能。

对现有技术中，对石墨烯金属复合材料的研究热点集中于铝、铜等金属，对石墨烯/钛复合材料的报道尚少，如Yang(doi:10.1007/s40195-016-0445-7)等将微米级的钛粉与石墨烯片球磨进行固态混合，并通过粉末冶金方法成型，当加入0.1％～0.2％石墨烯时，复合材料的导热性能和抗压强度均增强。

Song(doi:10.1016/j.matdes.2016.07.077)将钛粉加入石墨烯去离子水(十二烷基苯磺酸钠活性剂)分散液中超声30分钟，滤去溶液进行球磨，再经干燥得到复合粉体材料，并通过放电等离子体烧结成型，当加入0.5％或1.5％石墨烯时，复合材料的弹性模量、硬度、屈服强度、抗剪强度等都明显提升。

综上，尽管石墨烯/钛复合材料表现出的众多性能均比单一钛金属本身要好得多，具有广阔的应用前景及市场价值，但石墨烯/钛复合材料现有的制备方法限制了其性能的进一步提升；目前，石墨烯/钛复合材料的制备方法主要为机械混合、球磨，但上述方法存在以下几个问题：(1)石墨烯属于纳米材料，极易团聚；(2)简单的机械混合难以实现石墨烯在金属基体中的有效分散；(3)球磨过程极易破坏石墨烯的结构，不能充分发挥石墨烯的性能；(4)制备方法复杂，成本高，不易于实现工业化生产。因此，改进石墨烯/钛复合材料制备的混粉方法，实现石墨烯在钛基体中的有效分散，进一步提升石墨烯/钛复合材料性能成为亟需解决的难题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯包覆钛复合粉体材料及其制备方法，该方法制备的氧化石墨烯分散程度高，石墨烯在钛颗粒表面的分布均匀，不会破坏石墨烯的结构；且本发明方法所需装置简单，操作方便，反应条件简单，制备成本低，生产效率高，可以通过后期成型获得石墨烯分布更加均匀的钛基复合材料，克服了以往复合材料制备中石墨烯团聚对复合材料性能的影响。

本发明的目的之一是提供一种石墨烯包覆钛复合粉体材料的制备方法。

本发明的目的之二是提供上述方法制备的石墨烯包覆钛复合粉体材料的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种石墨烯包覆钛复合粉体材料及其制备方法，具体的，包括如下步骤：

(1)将钛粉、异丙醇及3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂混合，然后放到磁力搅拌装置中一边加热，一边搅拌处理一段时间，使钛粉表面氨基化带正电荷；

(2)将步骤(1)中的溶液过滤去，得到钛粉；

(3)将步骤(2)中钛粉加入到氧化石墨烯溶液中，放入磁力搅拌装置中进行搅拌，钛粉与氧化石墨烯发生静电吸附；

(4)将步骤(3)得到的氧化石墨烯/钛混合物进行真空抽滤、干燥，得到氧化石墨烯包覆的钛复合材料粉体；

(5)将步骤(4)中得到的粉体置于石英管中，在氢气保护下进行热还原、保温，得到还原氧化石墨烯包覆钛复合粉体材料；

步骤(1)中，所述钛粉含量为2～15g；