[发明专利]定向生长TiBw强化GNPs/Ti复合材料界面结合的方法

说明书

本发明涉及一种定向生长TiBw强化GNPs/Ti复合材料界面结合的方法，属于复合材料制备技术领域。该方法的步骤如下：含硼物质纳米粉吸附在GNPs表面，然后与钛基金属粉均匀混合，得到含硼物质@GNPs/Ti复合粉体；所述复合粉体利用局部高温进行烧结处理得到含硼物质@GNPs/Ti坯体；所述坯体再经过热处理得到GNPs‑(TiBw)/Ti复合材料。原位自生定向的TiBw连接并强化Ti‑TiC‑GNPs多重界面，起到“穿针引线”的作用，进而提高GNPs/Ti复合材料的界面结合强度，而且在提高强度的同时能维持较好的塑性，提高了GNPs/Ti复合材料的强塑性匹配性能，为优化GNPs/Ti复合材料的力学性能提供了新思路。本发明所述方法操作简单，制备流程短，普适性强，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种定向生长TiBw强化GNPs/Ti复合材料界面结合的方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯纳米片(GNPs)增强钛基复合材料(GNPs/Ti)具有高比强度、高比模量、低密度、耐磨以及耐蚀等优异性能，在航空、航天、交通等领域具有广泛应用前景。然而，GNPs/Ti的加工温度高，导致GNPs-Ti界面区域发生严重的界面反应，界面区域演变成Ti-TiC-GNPs多重界面。TiC与Ti的晶体结构不匹配，并且TiC周围发生Ti与C原子互扩散形成非化学计量比的TiCx(0.46x0.97)过渡层。由于C浓度连续变化使得TiC不能与Ti基体存在共格位向关系，不利于Ti-TiC界面结合。此外，TiCx过渡层的强度较低，在加载过程中该区域的形变应力大，先发生失效或与周围Ti基体脱粘，从而降低界面的结合强度，恶化材料的性能。因此，提高Ti-TiC-GNPs多重界面的结合强度对于充分发挥GNPs增强体的角色具有重要意义。

硼化钛晶须(TiBw)与Ti的物理性能匹配优异，TiBw的密度、泊松比和热膨胀系数与Ti十分接近，原位自生TiBw被广泛认为是Ti基复合材料的优异增强体。另外，控制原位自生TiBw的生长特性对于稳定界面结构，强化Ti-TiC-GNPs多重界面结合具有重要影响。传统的粉末冶金和熔炼铸造法制备的TiBw/Ti中，TiBw的分布混乱，无法适用于优化GNPs/Ti复合材料的界面结构，甚至会加剧恶化复合材料的界面结合特性。因此，控制原位自生TiBw的定向生长，有效地连接GNPs/Ti复合材料的界面，强化Ti-TiC-GNPs多重界面结合，最后获得优异的力学性能仍然是GNPs/Ti复合材料研究的难题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种定向生长TiBw强化GNPs/Ti复合材料界面结合的方法，该方法是以GNPs为TiBw的形核模板，TiBw晶核沿垂直于GNPs基平面的方向异质外延定向生长成TiBw阵列，定向生长的TiBw串联起Ti基体-TiC-GNPs之间的多重界面，起到“穿针引线”的作用，从而提高GNPs/Ti复合材料的界面结合强度，使得GNPs/Ti复合材料在加载过程中界面的脱粘与断裂过程受到抑制，GNPs的强化作用更有效的发挥，进而使GNPs/Ti复合材料的强塑性匹配进一步优化，力学性能得到提升。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

定向生长TiBw强化GNPs/Ti复合材料界面结合的方法，所述方法步骤如下，

(1)含硼物质纳米粉与GNPs均匀混合

含硼物质纳米粉与GNPs按质量比1:20～1:100称量，并在无水乙醇中超声分散，得到含硼物质@GNPs溶液；

(2)含硼物质@GNPs/Ti复合粉体的制备

将钛基金属粉加入含硼物质@GNPs溶液中，混合均匀后过滤、干燥，得到含硼物质@GNPs/Ti复合粉体；

其中，GNPs在含硼物质@GNPs/Ti复合粉体中的质量分数为0.01％～1％；

(3)烧结