[发明专利]高强高导热石墨烯弥散ODS钢复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了高强高导热石墨烯弥散ODS钢复合材料及其制备方法，包括：(1)将石墨烯纳米片与ODS钢粉末通过行星球磨机低速球磨进行混合，得到混合粉末；(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末，于行星球磨机中高速球磨一段时间得到石墨烯增强的ODS钢基复合粉末；(3)将所述步骤(2)得到的复合粉末通过放电等离子烧结方式制备石墨烯纳米片增强的ODS钢复合材料。采用所述的制备方法制备出高强高导热石墨烯弥散ODS钢复合材料。本发明制备的石墨烯增强ODS钢复合材料在室温的抗拉强度达到了1160‑1250MPa，延伸率也达到了13‑15％。同时，ODS钢的导热性能得到了进一步的提高。

技术领域

本发明涉及核材料制备工艺技术领域，尤其属于ODS基复合材料制备技术领域；具体涉及高强高导热石墨烯弥散ODS钢复合材料及其制备方法。

背景技术

先进的核能系统需要结构材料具备包括高温强度、抗辐照、抗腐蚀等多方面的优异性能，氧化物弥散强化钢(ODS钢)因其具有较高的蠕变强度和优异的抗辐照能力被当作先进核能系统的候选材料之一。但是，高强度材料通常都具有强度提高而塑韧性损失的相互矛盾性。高强度ODS化合金的塑性还需要进一步提高，同时由于ODS合金具有非常细小的晶粒组织，热导率会低于类似的熔炼钢，降低其传热性能。

石墨烯是一种二维平面结构材料，由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前比强度最高、最坚硬的材料，其杨氏模量约为1TPa,强度为130GPa,分别是最好的超高强度钢的6倍和60多倍，同时由于石墨烯的二维结构而使得其具有高韧性。因此，利用石墨烯优异的机械和热性能，将其与ODS钢进行复合，制备石墨烯增强ODS钢基复合材料，可获得高强度高导热的复合材料，应用于先进的核能系统中。

由于石墨烯与ODS钢的润湿性差，且石墨烯极大的比表面积使得石墨烯纳米片之间产生范德华力而团聚，这使得石墨烯自身的强化效果大打折扣，即存在石墨烯纳米片在基体中的不均匀分散性和石墨烯纳米片和基体的润湿性差等问题。

发明内容

本发明目的在于提供高强高导热石墨烯弥散ODS钢复合材料及其制备方法，解决石墨烯纳米片在基体中的不均匀分散性和石墨烯纳米片和基体的润湿性差等，进而导致现有复合材料的抗拉强度、延伸率、导热性能不高的问题；本发明一种高强高导热石墨烯弥散ODS钢复合材料的制备方法，具有制备周期短、工艺简单有效等特点。本发明一种高强高导热石墨烯弥散ODS钢复合材料，制备出的石墨烯纳米片增强的ODS钢基复合材料表现出提高的力学和导热性能，在室温的抗拉强度达到了1160-1250MPa，延伸率也达到了13-15％；同时，ODS钢的导热性能得到了进一步的提高。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种高强高导热石墨烯弥散ODS钢复合材料的制备方法，包括：

(1)将石墨烯纳米片与ODS钢粉末通过行星球磨机低速球磨进行混合，得到混合粉末；

(2)将所述步骤(1)得到的混合粉末，于行星球磨机中高速球磨一段时间得到石墨烯增强的ODS钢基复合粉末；

(3)将所述步骤(2)得到的复合粉末通过放电等离子烧结(SPS)方式制备石墨烯纳米片增强的ODS钢复合材料。

工作原理是：基于石墨烯与ODS钢的润湿性差，且石墨烯极大的比表面积使得石墨烯纳米片之间产生范德华力而团聚，这使得石墨烯自身的强化效果大打折扣，即存在石墨烯纳米片在基体中的不均匀分散性和石墨烯纳米片和基体的润湿性差等问题。所以如何实现石墨烯在基体中的均匀分散和改善石墨烯与基体的界面强度成为了石墨烯能够发挥强化相作用和复合材料制备成功与否的关键。其中，机械球磨是制备复合材料简单有效的方法。球磨可能会对石墨烯的结构造成一定程度的损伤，但只要适当的控制球磨参数，通过球磨一样也能实现石墨烯在基体中的有效分散。