[发明专利]一种氧化石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种氧化石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法，复合材料包括金属钛和氧化石墨烯，氧化石墨烯与钛粉的质量比为0.01~0.05:1。制备方法为：利用改进的Hummers方法制备获得氧化石墨烯溶液，利用无水乙醇稀释到一定的浓度；将钛粉和稀释后的氧化石墨烯溶液在超声分散的作用下制备获得含钛粉的氧化石墨烯溶液，将其在真空干燥箱中干燥，获得钛粉和氧化石墨烯的复合粉体；将复合粉体置入热压烧结炉的石墨模具中，在氩气保护环境中保温保压烧结获得氧化石墨烯增强钛基复合材料。本发明利用氧化石墨烯作为增强体，能有效改善增强体在基体中的团聚问题，提高增强体在基体中的百分比含量，从而最大限度地改善基体的力学性能。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛基复合材料具备低密度、高比强度、高比模量以及优异的高温性能等一系列优点，被广泛应用在航天航空、汽车工业、医疗器械等领域，被认为是未来结构材料和功能材料的不二之选。通常选择低密度、高熔点、高强度的增强体对提高钛基复合材料的性能至关重要。目前钛基复合材料中的增强体种类主要是以TiB、TiC、Al₂O₃、B₄C、TiN、ZrB₂等陶瓷颗粒增强体以及SiC等纤维增强体为主。增强相的体积分数一般在10-20%。然而，陶瓷颗粒增强体本身硬度和脆性偏大，不仅不能改善基体的韧性，反而使其降低。由于材料较低的延展率，也使得钛基复合材料进一步塑性成型变得十分困难，加工成本也显著提高。另外，SiC纤维作为增强相虽然能够显著提高钛合金基体的模量等性能，但纤维增强钛基复合材料受到以下几方面因素的限制：一是SiC 纤维与钛基体热膨胀系数相差较大，容易在制备与服役过程中产生相对较大的热应力；二是存在严重的各向异性性能缺陷；三是纤维价格昂贵，制备、加工工艺复杂，工艺控制相对较难。

近几年，碳质材料包括碳纳米管和石墨烯不仅密度低，还具有优异的力学和物理性能引起了广泛的关注，被认为是一种钛基复合材料理想的增强体材料。目前波音和空客已将石墨烯增强钛基复合材料作为重点研发方向。然而由于碳纳米管和石墨烯长径比大，且碳纳米管或石墨烯之间存在较强的范德华力，使其易团聚从而造成对基体性能的改善远远达不到预期的效果。增强体的添加量一般不超过0.5 wt.%。若要大幅度提高基体性能，还需要提高添加量，这又与团聚问题形成了矛盾。这样严重制约了复合材料性能的提升，成为碳质材料增强金属基复合材料技术发展的关键瓶颈问题。

氧化石墨烯是制备石墨烯过程中产生的一种重要的衍生物，是一种性能优异的碳材料，不仅具有高强度、高弹性模量等性能，其结构中含有大量的官能团，被视为亲水性物质，在水中具有优越的分散性。这样，利用性能优越的氧化石墨烯作为增强体可以有效避免其在金属基体中的团聚问题。因此，为了解决上述问题，本发明旨在以氧化石墨烯为增强体，钛金属作为基体制备复合材料，并对性能进行检测。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题就提供一种氧化石墨烯增强钛基复合材料，它用氧化石墨烯来替代石墨烯或碳纳米管作为钛基复合材料的增强体，以克服现有以石墨烯或碳纳米管为增强体制备过程中易团聚造成材料性能改善不足的问题。本发明还提供一种氧化石墨烯增强钛基复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种氧化石墨烯增强钛基复合材料，包括金属钛，还包括氧化石墨烯，氧化石墨烯与钛粉的质量比为0.01~0.05:1

本发明还提供上述氧化石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯溶液，并用无水乙醇稀释，得到稀释后的氧化石墨烯溶液；

步骤2、将上述稀释后的溶液中所含的氧化石墨烯与钛粉按质量比0.01~0.05:1混合，利用超声搅拌器超声分散使两相均匀分布，得到氧化石墨烯和钛粉的混合溶液；