[发明专利]一种螺旋结构石墨烯钛基复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种螺旋结构石墨烯钛基复合材料的制备方法，该方法包括：一、将石墨烯与钛基粉末进行低能球磨混合得到石墨烯/钛基粉末；二、将钛基箔材卷制成可伸缩的螺旋状钛基箔卷材；三、将石墨烯/钛基粉末灌装到螺旋状钛基箔卷材的夹层中，得到螺旋状结构石墨烯钛基混合材料；四、烧结成型得到螺旋结构石墨烯钛基复合材料。本发明利用螺旋状钛基箔卷材的螺旋结构形成灌装石墨烯/钛基粉末的夹层通道，保留了足够的塑性变形区域，提高了复合材料的塑性，有效控制了碳化钛增强体的分布并避免富集，提高了复合材料整体的强度性能，实现了通过对钛基体的构型化设计，达到石墨烯钛基复合材料综合力学性能的改善和提升。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种螺旋结构石墨烯钛基复合材料的制备方法。

背景技术

钛（Ti）及钛合金因其高比强度、高比模量、良好的抗氧化和耐腐蚀性能而被广泛应用于航空、海洋和化工等行业，已经服役于航天飞机、发动机叶片及汽车零件等。然而，随着航天航空事业如火如荼的发展，钛及钛合金的性能指标限制了它的应用。因此在传统钛合金之外必须发展新材料，而钛基复合材料可以克服这些缺点，所以成为研究热点。而石墨烯钛基复合材料作为一种新型的复合材料受到广泛的关注。目前针对石墨烯钛基复合材料的研究的重点就是石墨烯与基体之间的界面问题及石墨烯在钛基体中的分散问题。对于石墨烯钛基复合材料来说，钛基体自身的韧性较强，添加石墨烯后，可以将金属的韧性和陶瓷碳化钛的高强度、高硬度相结合，在石墨烯钛基复合材料中原位自生的增强相碳化钛的密度和热膨胀系数都同钛接近，而其自身的弹性模量和抗拉强度却要远高于钛，是一种良好的增强相材料，且TiC和钛的润湿性很好，从而提高了复合材料的整体性能。但是石墨烯钛基复合材料的制备过程中，碳化钛的形成及石墨烯团聚的问题极大地引起基体韧性的损伤，限制了石墨烯钛基复合材料的进一步应用。

金属基复合材料的三大关键组成：基体、增强体以及界面。在现有的关于石墨烯钛基复合材料研究中，总是针对增强相的形貌状态、大小和含量，以及最关键的界面结合来分析对复合材料性能的影响，忽略了对于基体本身优良的特性以及基体的构型化设计的考虑。同时，对钛基复合材料中钛基体的基本认知是只作为最基础的承载体，并未关心基体材料在复合材料中结构尺寸分布及形貌对于复合材料的影响。

现有研究往往采用粉末冶金的方式制备钛基复合材料，选择统一粒径的钛基体原料作为原始材料，然后采用球磨法或者物理搅拌的方法将石墨烯包覆在球形钛基体粉末或者是经过高能球磨获得的片状的钛基体的表面，再根据增强体的分布形成核壳结构或者层状结构的复合材料。而对于基体的构型方面的研究少之又少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种螺旋结构石墨烯钛基复合材料的制备方法。该方法将石墨烯/钛基粉末与螺旋状钛基箔卷材进行烧结复合制备复合材料，利用螺旋状钛基箔卷材的同心螺旋结构形成灌装石墨烯/钛基粉末的夹层通道，保留了足够的塑性变形区域，提高了复合材料的塑性，有效控制了碳化钛增强体的分布并避免富集，提高了复合材料整体的强度性能，实现了通过对钛基体的构型化设计，达到石墨烯钛基复合材料综合力学性能的改善和提升。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种螺旋结构石墨烯钛基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、石墨烯/钛基粉末的制备：将石墨烯与钛基粉末进行低能球磨混合，使得石墨烯包覆在钛基粉末表面，得到石墨烯/钛基粉末；所述钛基粉末为钛粉末或钛合金粉末；

步骤二、螺旋状钛基箔卷材的制备：将钛基箔材卷制成可伸缩的螺旋状钛基箔卷材；所述钛基箔材为钛箔或钛合金箔，所述螺旋状钛基箔卷材具有同心螺旋结构；

步骤三、混合材料的制备：将步骤一中得到的石墨烯/钛基粉末灌装到步骤二中得到的螺旋状钛基箔卷材的同心螺旋结构的夹层中，得到螺旋状结构石墨烯钛基混合材料；

步骤四、将步骤三中得到的螺旋状结构石墨烯钛基混合材料烧结成型，得到螺旋结构石墨烯钛基复合材料。