高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空航天、电子器件以及新能源汽车等行业的发展，高导热金属材料应用的越来越广泛，高导热铝合金因其轻质高强、导热性好、耐腐蚀性强、加工性能好等特点备受关注。但目前现代工业快速发展，各领域对材料性能的要求逐步提高，而通常具有较高导热性的铝合金相对强度较低，这意味着在某些高强度要求的应用中，铝合金的导热性能往往不能满足，迫切需要开发高强高导热铝合金及复合材料。

2、石墨烯是碳原子以sp2杂化组成的二维纳米材料，具有超高的电导率(2000sm-1)、杨氏模量(1tpa)、断裂强度(130gpa)，热导率高达5300w m-1k-1，远高于同属碳材料的金刚石(2000wm-1k-1)与碳纳米管(单壁3500wm-1 k-1)，是高强高导热铝基复合材料理想的增强体材料,近年来石墨烯铝基复合材料也成为耐热铝合金主要的发展方向。

3、随着对石墨烯铝基复合材料研究的不断深入，其制备工艺和方法也越来越多。制备工艺主要分为石墨烯在铝基体中的均匀分散和复合材料成型两部分。制备混合粉末的主要方法为球磨，包括行星式球磨、高能球磨、分段球磨、干磨、湿磨等方式。制备成复合材料的主要方法为粉末冶金法，包括热压烧结、热等静压、热挤压等。2021年tielong han a在《composites part b》上发表题为“simultaneously enhanced strength and ductilityof al matrix composites through the introduction of intragranular nano-sizedgraphene nanoplates”的文章，在文章中，han等采用分段球磨(smbm)的方式，使高含量的石墨烯纳米片均匀分散在铝基体中，从而同时提高了强度和韧性。2016年xin gao在《materials and design》上的发表的文章“preparation and tensile properties ofhomogeneously dispersed graphene reinforced aluminum matrix composites”中采用改进的hummers法制备了带负电荷的氧化石墨烯片，并用十六烷基三甲基溴化铵(ctab)包覆铝粉，使铝粉表面带正电荷，然后通过静电自组装实现氧化石墨烯纳米片在纯铝粉上的均匀吸附。chaoyu wang等采用化学气相沉积法在石墨薄片(gr(gnp))表面生长垂直排列的石墨烯纳米片(gnp)，然后通过真空热压烧结法制备gr(gnp)/al复合材料。

4、综上所述，现有的石墨烯增强铝基复合材料的制备技术还存在一些问题，首先是石墨烯和铝熔点、硬度等性能相差较大，石墨烯润湿性差，导致石墨烯和铝基体混合时，会出现上浮能问题、石墨烯粉末难以在铝基体中得到有效的均匀分散，导致界面结合不牢固和负载转移强化效果较低；另外一方面传统球磨或者干磨等难以保证在不对石墨烯造成损伤的同时还获得强结合界面；有些工艺能获得强结合界面但制备效率不高；而且石墨烯增强金属基复合材料实际测出的力学性能一般都低于理论预测值。因此，制备高性能石墨烯增强铝基复合材料仍然面临着巨大挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤(1)：对铝板进行喷丸处理，对喷丸后的铝板进行轧制，轧制后的铝板进行表面处理；

4、步骤(2)：将石墨烯粉用酒精浸湿，用超声波混合均匀；

5、步骤(3)：将步骤(2)酒精浸湿后的石墨烯粉涂覆在表面处理后的铝板表面，在涂覆的石墨烯粉层上叠放表面处理后的铝板，形成堆叠板，四角固定后、堆叠板进行真空热压；

6、步骤(4)：对真空热压后的堆叠板进行每道次不小于50％压下量的高温轧制，轧制后空冷；

7、步骤(5)：将轧制后的板材进行退火处理，对退火后的板材进行线切割，得到大小相同的两块；

8、步骤(6)：重复步骤(3)-(5)，得到高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料。

9、进一步的，步骤(1)中采用的铝板的尺寸为：长度10～30cm、宽度10～30cm、厚度3～15mm。

10、进一步的，步骤(1)喷丸工艺具体为：采用3～5mm的钢丸，转速为25～50m/s，处理时间为15～30min；

11、进一步的，步骤(1)中轧制压下量为12％～20％。

12、进一步的，步骤(1)的表面处理具体为：对轧制后的铝板表面进行打磨、用钢刷刷洗，去除氧化层，随后用丙酮浸泡并超声处理。

13、进一步的，步骤(3)中真空热压具体为：真空度小于0.3pa，压力为50-100mpa，保温温度为450-550℃，保温时间为1-2h。

14、进一步的，步骤(4)中高温轧制具体为：轧制前进行预热温度为450-550℃、保温时间为20-30min的预热，下压量为50-70％。

15、进一步的，步骤(5)中退火处理具体为：退火温度为150-250℃，保温时间为30-60min，冷却方式为空冷。

16、进一步的，重复步骤(3)-(5)1-10次。

17、一种高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料，采用上述的方法制备。

18、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

19、本发明通过对铝板表面进行喷丸处理，一方面提高了铝板表面的粗糙度，一方面沿板厚向获得纳米晶和超细晶及粗晶层的梯度组织，将经过酒精浸湿的石墨烯粉涂覆在铝板表面，叠放铝板后，经过后续的大变形量变形，使得石墨烯粉良好的成型在所在位置，实现了石墨烯和铝基体的有效结合。喷丸处理形成的梯度组织表面较小的纳米晶和超细晶可以促使后续累积叠轧过程中石墨烯在铝基体更好的均匀分散和保持高的润湿性，并在表面形成一个残余应力层，提高铝基体的强度；后续轧制处理会促使基体中形成了细长晶粒，提高材料延伸率的同时还提高电子通过率，预先增强了铝基体的导热率。

20、本发明能将石墨烯粉与铝基体有效紧密结合，发挥石墨烯的高导热特性，进一步提高石墨烯铝基复合板材的导热性能；相较于其他制备方法(如粉末冶金等工艺)，累积叠轧方法不会破坏石墨烯的微观结构，且使其与基体金属有着更高的结合强度，不会生成杂质化合物，而且效率更高，工艺更简便，生产周期短，更容易实现大体积大批量生产。

21、本发明的制备方法具有普适性，对于提高其他类型合金的导热性能和力学性能提升具有指导意义；对于实现轻量化、降低成本等方面也具有重要现实意义。

技术特征：

1.一种高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中采用的铝板的尺寸为：长度10～30cm、宽度10～30cm、厚度3～15mm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)喷丸工艺具体为：采用3～5mm的钢丸，转速为25～50m/s，处理时间为15～30min。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中轧制压下量为12％～20％。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)的表面处理具体为：对轧制后的铝板表面进行打磨、用钢刷刷洗，去除氧化层，随后用丙酮浸泡并超声处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中真空热压具体为：真空度小于0.3pa，压力为50-100mpa，保温温度为450-550℃，保温时间为1-2h。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(4)中高温轧制具体为：轧制前进行预热温度为450-550℃、保温时间为20-30min的预热，下压量为50-70％。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(5)中退火处理具体为：退火温度为150-250℃，保温时间为30-60min，冷却方式为空冷。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，重复步骤(3)-(5)1-10次。

10.一种高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的方法制备。

技术总结本发明为一种高导热轻质层状石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法。包括如下步骤：(1)对铝板进行喷丸处理，对喷丸后的铝板进行轧制，轧制后的铝板进行表面处理；(2)将石墨烯粉用酒精浸湿，用超声波混合均匀；(3)将酒精浸湿后的石墨烯粉涂覆在表面处理后的铝板表面，在涂覆的石墨烯粉层上叠放表面处理后的铝板，形成堆叠板，四角固定后、堆叠板进行真空热压；(4)对真空热压后的堆叠板进行每道次不小于50％压下量的高温轧制，轧制后空冷；(5)将轧制后的板材进行退火处理，对退火后的板材进行线切割，得到大小相同的两块；(6)重复步骤(3)‑(5)。本发明实现了石墨烯和铝基体的有效结合，且制备的复合材料性能良好。技术研发人员：聂金凤,罗增鹏,刘站,栢玉吉受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2