[发明专利]一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法。所述方法为：将镁基体在坩埚中加热熔化，得到镁基体熔体；在坩埚顶部引入空气或由氧气与稀有气体混合而成的混合气体；镁基体为镁锌合金、镁钙合金、镁铜合金、镁锌钙合金中的一种或多种；将CO持续通入镁基体熔体中进行气液原位反应，得到石墨烯增强合金熔体；在CO与镁基体熔体发生反应的同时，保证坩埚的顶部的温度为300℃以上，并在坩埚的顶部引燃逸出的CO；将石墨烯增强合金熔体凝固，得到石墨烯增强镁基复合材料。本发明成本低廉可行，操作简单，操作安全系数高，本发明获得了氧化镁含量低，高体积分数石墨烯高分散、界面结合强度高、力学性能优异的石墨烯增强镁基复合材料。

技术领域

本发明涉及镁基复合材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法。

背景技术

镁是最轻量的金属结构材料，其密度比铝轻35％，比钛轻65％。但是镁合金的低刚度、低强度、高热膨胀系数等缺点极大地限制了它的应用范围。镁基复合材料通过在基体镁合金中添加合适的增强体，克服了或显著减轻镁合金的上述缺点，具有低密度、高比强度、高比刚度、耐高温性能好、兼具良好的阻尼性能和电磁屏蔽性，轻量化效果十分显著，是目前国防和航天等尖端领域的理想材料之一。石墨烯(Graphene) 是人类在自然界发现的第一种二维材料，具有优异的力学、热学、电学等方面的奇特性能，被认为是金属，陶瓷，树脂等材料的理想增强体。同时，石墨烯与镁在高温下不发生化学反应，具备较好的化学相容性。因此将镁和石墨烯进行复合可以制备出轻质高性能的镁基复合材料。

然而，由于石墨烯和镁合金的润湿性差，且其纳米级的尺寸也使得石墨烯之间产生强大的范德华力而极易团聚，这都使得复合材料中石墨烯的增强效果不能完全的发挥。本团队前期的中国专利申请 CN109207787A提出了利用CO₂与镁基体的原位反应制备出了原位自生石墨烯增强镁基复合材料，该石墨烯增强镁基复合材料中石墨烯获得了较好的分散性，其力学性能得到了明显的提升，但是该专利申请在原位反应过程中生成的较高含量的氧化镁严重的抑制了石墨烯在镁基体中的含量。为了进一步提升复合材料的机械性能必须进一步增加石墨烯的含量，同时减少氧化镁的含量(石墨烯的增强/韧效率远高于氧化镁)。另外，由于石墨烯与镁的润湿角较大(120°)，石墨烯与镁的界面结合也决定着制备的复合材料的质量；因此也必须进一步优化石墨烯增强镁基复合材料的界面结合能力，以提高镁基复合材料的力学性能。

综上，非常有必要提供一种新的石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在石墨烯在镁基体中容易产生团聚，镁基体中石墨烯的含量难以获得高体积分数，同时界面结合较差的技术问题，本发明提供了一种石墨烯增强镁基复合材料及其制备方法。本发明方法成本低廉可行，操作简单，操作安全系数高，本发明制备的石墨烯增强镁基复合材料是一种石墨烯高分散、氧化镁含量低，石墨烯含量高、界面结合强度高、力学性能优异的轻质高性能镁基复合材料。

本发明在第一方面提供了一种石墨烯增强镁基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将镁基体在坩埚中加热熔化，得到镁基体熔体；在所述坩埚的顶部引入空气或由氧气与稀有气体混合而成的混合气体，使所述坩埚的顶部与流动的空气或流动的所述混合气体直接接触，所述混合气体中氧气的体积百分含量为10～30％；所述镁基体为镁锌合金、镁钙合金、镁铜合金、镁锌钙合金、镁锌锆合金中的一种或多种；

(2)将一氧化碳气体持续通入所述镁基体熔体中进行气液原位反应，得到石墨烯增强合金熔体；在所述一氧化碳气体与所述镁基体熔体发生气液原位反应的同时，保证所述坩埚的顶部的温度为300℃以上，并在所述坩埚的顶部引燃逸出的未参与反应的一氧化碳气体；

(3)将所述石墨烯增强合金熔体凝固，得到石墨烯增强镁基复合材料。

优选地，在进行步骤(3)之前，还包括往步骤(2)得到的石墨烯增强合金熔体中通入高能超声波进行超声的步骤。