本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法及裝置，具體涉及一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維納米材料，呈單層片狀結(jié)構(gòu)(厚度僅為幾個納米)。由于其獨(dú)特的二維蜂窩晶體結(jié)構(gòu)和極高的鍵強(qiáng)度，石墨烯是目前已知的世界上比強(qiáng)度最高、最堅(jiān)硬的納米材料，其斷裂強(qiáng)度高達(dá)130gpa。因此，利用石墨烯的高強(qiáng)度，并將其與金屬材料復(fù)合，制備成石墨烯金屬復(fù)合材料，是一種新型的高強(qiáng)高韌金屬基復(fù)合材料。

目前石墨烯與金屬復(fù)合的工藝方法主要有兩種：熔融鑄造法和粉末冶金法。采用熔融鑄造法制備石墨烯鋁復(fù)合材料時(shí)，由于石墨烯二者密度差異大，石墨烯很難在鋁液內(nèi)部均勻分散，此外，二者在材料制備過程中還有可能發(fā)生高溫界面反應(yīng)，生成al4c3脆性相，惡化材料性能。因此石墨烯鋁復(fù)合材料較少采用熔融鑄造法來制備。采用粉末冶金法制備石墨烯鋁復(fù)合材料時(shí)，需要首先獲得石墨烯和鋁合金均勻混合的粉體，然后通過后續(xù)的壓力加工來制備石墨烯鋁復(fù)合塊體材料，最大限度地抑制了傳統(tǒng)熔融鑄造法帶來的高溫界面反應(yīng)。因此，石墨烯鋁復(fù)合材料一般采用粉末冶金法來制備。

目前，輕型裝甲車一直采用鋼制防彈裝甲，武裝直升飛機(jī)采用鈦合金防彈裝甲。但是未來戰(zhàn)爭對陸軍的遠(yuǎn)程投送能力、武裝直升飛機(jī)的有效載荷能力都提出越來越高的要求，這就對裝備重量提出了嚴(yán)苛要求，使得以前使用的鋼制裝甲和鈦合金裝甲已不能滿足未來武器裝備發(fā)展的需要。因此需要提供一種密度低，成本低，易批量生產(chǎn)的復(fù)合裝甲材料。

對于鋁基復(fù)合材料來說，增強(qiáng)相在鋁基體中的分布是否均勻、增強(qiáng)相是否發(fā)生團(tuán)聚、界面結(jié)合是否緊密，直接決定著復(fù)合材料性能的優(yōu)劣。石墨烯存在尺寸小，比表面積大，很難分散，很容易團(tuán)聚的問題，因此，石墨烯在鋁基體中的均勻分散如何實(shí)現(xiàn)，是制備石墨烯鋁復(fù)合材料需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。尤其是采用粉末冶金法制備石墨烯鋁復(fù)合材料時(shí)，如何獲得石墨烯在鋁合金粉體中均勻分散的混合粉體，是制備高品質(zhì)石墨烯鋁復(fù)合材料的前提和基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料，該方法及裝置對石墨烯與鋁和/或鋁合金粉末混合進(jìn)行改進(jìn)，是一種新的工藝和方法，本方法及裝置可將石墨烯納米片均勻地包覆在金屬粉體的表面，實(shí)現(xiàn)石墨烯與金屬粉體的均勻混合。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料，其特征在于，所述鋁合金包括按質(zhì)量百分比的下述組分：cu，3.8～4.9％；mg，1.2～1.8％；si，0.5％；ti，0.15％；fe，0.5％；zn，0.25％；mn，0.30～0.90％；cr，0.10％；余量為al和不可避免的雜質(zhì)。

進(jìn)一步地，所述鋁合金包括按質(zhì)量百分比的下述組分：cu，2.0～2.6％；mg，1.9～2.6％；si，0.12％；ti，0.06％；fe，0.15％；zn，5.7～6.7％；mn，0.1％；cr，0.04％；zr，0.08～0.15％；余量為al和不可避免的雜質(zhì)。

進(jìn)一步地，所述鋁合金包括按質(zhì)量百分比的下述組分：cu2.5％。

進(jìn)一步地，所述鋁合金包括按質(zhì)量百分比的下述組分：mg2.0％。

進(jìn)一步地，所述鋁合金包括按質(zhì)量百分比的下述組分：zn6.0％。

進(jìn)一步地，所述鋁合金包括按質(zhì)量百分比的下述組分：zr0.1％。

一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料制備方法，該材料制備方法的步驟如下：

1)制備石墨烯層數(shù)小于10的納米片有機(jī)溶液：于7000～9000rpm轉(zhuǎn)速、線速度85～115m/s下的離心納米分散機(jī)中，對分散于有機(jī)溶液的石墨烯進(jìn)行處理；

2)石墨烯包覆鋁和/或鋁合金粉末：用花灑網(wǎng)眼尺寸為60～280μm的噴淋裝置將步驟1)的石墨烯納米片有機(jī)溶液霧化噴灑于在混合機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)的鋁和/或鋁合金粉末上；

3)于混合機(jī)中對包覆后的石墨烯/鋁合金粉末混合20～100min，即得石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料。

進(jìn)一步地，所述方法制備的石墨烯包覆的鋁合金粉末中，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)含：石墨烯0.05％～9％，鋁和/或鋁合金91％～99.95％；所述鋁和/或鋁合金粉末的粒徑為10～100μm；7所述花灑網(wǎng)眼尺寸為100μm～200μm。

進(jìn)一步地，所述離心納米分散機(jī)的轉(zhuǎn)速為8000rpm，線速度為100m/s。所述混合機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000rpm。

進(jìn)一步地，所述納米片有機(jī)溶液中的有機(jī)溶劑為包括乙醇、npm、聚乙二醇和/或pvp中的一種或多種，所述有機(jī)溶劑的濃度為20％～100％。

進(jìn)一步地，所述納米片有機(jī)溶液中的有機(jī)溶劑為無水乙醇。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料，實(shí)現(xiàn)了石墨烯在鋁合金粉體表面的包覆，有利于在石墨烯金屬復(fù)合材料中形成高質(zhì)量的石墨烯金屬界面結(jié)合。

2、本發(fā)明提供的一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料的制備方法，石墨烯不容易發(fā)生團(tuán)聚，無二次團(tuán)聚和重新凝固分散的現(xiàn)象。

3、本發(fā)明提供的一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料，無需凝固、無需碾壓，避免形成板結(jié)或團(tuán)聚。

4、本發(fā)明提供的一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料，無需振動和篩分，從而避免了由此帶來的石墨烯和鋁合金粉末的分布不均。

5、本發(fā)明提供的一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料，工藝操作簡單、制造成本低廉、生產(chǎn)效率高。

6、本發(fā)明提供的一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料，無需加熱也無需烘干，使石墨烯更好的在鋁合金粉體表面包覆，即環(huán)保安全，又縮短制備周期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料的制備裝置的離心納米分散機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例制得的石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料的掃描電鏡(sem)；

圖3為本發(fā)明對比例制得的石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料的掃描電鏡(sem)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料的制備裝置，該制備裝置包括離心納米分散機(jī)，具有研磨室(9)和筒體(1)，筒體(1)內(nèi)裝有需要解聚分散的納米材料(2)和磨介(3)，筒體(1)上設(shè)有漿料進(jìn)口(10)，漿料進(jìn)口(10)與研磨室(9)相連，筒體(1)內(nèi)設(shè)有攪拌裝置(6)，其特征在于：還包括管道(7)和蠕動泵(8)，管道(7)插入筒體(1)內(nèi)，管道(7)的管口靠近筒體(1)底部，管道(7)的管口扎有第一濾網(wǎng)(11)，第一濾網(wǎng)(11)的網(wǎng)格的尺寸小于磨介(3)的直徑。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例提供一種石墨烯/鋁合金復(fù)合裝甲材料的制備方法，具體步驟如下：

石墨烯包覆鋁合金粉末包括如下重量份計(jì)的組分：石墨烯0.05％，鋁合金99.95％。石墨烯可以由hummer’s法制備。鋁合金為按質(zhì)量百分比的下述組分：cu，2.4％；mg，1.9％；si，0.12％；ti，0.06％；fe，0.15％；zn，5.7％；mn，0.1％；cr，0.04％；zr，0.1％；余量為al和不可避免的雜質(zhì)；鋁合金粉末的粒徑為10μm。

1)將石墨烯在濃度為95％的酒精溶液中超聲分散后，然后置于轉(zhuǎn)速為9000rpm，線速度為115m/s的離心納米分散機(jī)中，得到離心分散后的石墨烯酒精溶液，所述石墨烯酒精溶液中石墨烯納米片層數(shù)在10層以下的占全部石墨烯納米片的90％以上；

2)將所述石墨烯納米片有機(jī)溶液在壓力下通過花灑網(wǎng)眼尺寸60μm的噴淋裝置霧化成小液滴，均勻地灑向在1000rpm的高效混合機(jī)中旋轉(zhuǎn)的鋁和/或鋁合金粉末；其中，可以通過冷凝回收裝置回收揮發(fā)溶劑，也可以通過其他方式實(shí)現(xiàn)回收和再利用，這里不做具體限定。

3)石墨烯酒精溶液全部噴灑完成后，保持高效混合機(jī)繼續(xù)運(yùn)行20min；

4)將混合均勻的石墨烯包覆鋁合金的粉末從高效混合機(jī)中取出。

實(shí)施例3：

石墨烯包覆鋁合金粉末包括如下重量份計(jì)的組分：石墨烯9％，鋁合金91％％。鋁合金為按質(zhì)量百分比的下述組分：cu，2.0％；mg，2.3％；si，0.12％；ti，0.06％；fe，0.15％；zn，6％；mn，0.1％；cr，0.04％；zr，0.15％；余量為al和不可避免的雜質(zhì)。鋁合金粉末的粒徑為100μm。

1)將石墨烯在濃度為95％的酒精溶液中超聲分散后，然后置于轉(zhuǎn)速為8000rpm，線速度為100m/s的離心納米分散機(jī)中，得到離心分散后的石墨烯酒精溶液，所述石墨烯酒精溶液中石墨烯納米片層數(shù)在10層以下的占全部石墨烯納米片的90％以上；

2)將所述石墨烯納米片有機(jī)溶液在壓力下通過花灑網(wǎng)眼尺寸280μm的噴淋裝置霧化成小液滴，均勻地灑向在1000rpm的高效混合機(jī)中旋轉(zhuǎn)的鋁和/或鋁合金粉末；

3)石墨烯酒精溶液全部噴灑完成后，保持高效混合機(jī)繼續(xù)運(yùn)行40min；

4)將混合均勻的石墨烯包覆鋁合金的粉末從所述高效混合機(jī)中取出。

實(shí)施例4

石墨烯包覆鋁合金粉末包括如下重量份計(jì)的組分：石墨烯5％，鋁合金95％。鋁合金為按質(zhì)量百分比的下述組分：cu，2.6％；mg，2.6％；si，0.12％；ti，0.06％；fe，0.15％；zn，6.7％；mn，0.1％；cr，0.04％；zr，0.08％；余量為al和不可避免的雜質(zhì)。鋁合金粉末的粒徑為50μm。

1)將石墨烯在有機(jī)溶劑(濃度為40％的酒精溶液)中超聲分散后，然后置于轉(zhuǎn)速為7000rpm，線速度為85m/s的離心納米分散機(jī)中，得到離心分散后的石墨烯納米片有機(jī)溶液，所述石墨烯納米片有機(jī)溶液中石墨烯納米片層數(shù)在10層以下的占全部石墨烯納米片的90％以上；

2)將所述石墨烯納米片有機(jī)溶液在壓力下通過花灑網(wǎng)眼尺寸100μm的噴淋裝置霧化成小液滴，均勻地灑向在1100rpm的高效混合機(jī)中旋轉(zhuǎn)的鋁和/或鋁合金粉末；

3)所述石墨烯納米片有機(jī)溶液全部噴灑完成后，保持所述高效混合機(jī)繼續(xù)運(yùn)行100min；

4)將混合均勻的石墨烯包覆鋁合金的粉末從所述高效混合機(jī)中取出。

實(shí)施例5

石墨烯包覆鋁合金粉末包括如下重量份計(jì)的組分：石墨烯0.05％，鋁合金99.95％。鋁合金為按質(zhì)量百分比的下述組分：cu，3.8％；mg，1.2％；si，0.5％；ti，0.15％；fe，0.5％；zn，0.25％；mn，0.30％；cr，0.10％；余量為al和不可避免的雜質(zhì)。鋁合金粉末的粒徑為10μm。

1)將石墨烯在有機(jī)溶劑(濃度為20％的聚乙二醇溶液)中超聲分散后，然后置于轉(zhuǎn)速為8000rpm，線速度為100m/s的離心納米分散機(jī)中，得到離心分散后的石墨烯納米片有機(jī)溶液，所述石墨烯納米片有機(jī)溶液中石墨烯納米片層數(shù)在10層以下的占全部石墨烯納米片的90％以上；

2)將所述石墨烯納米片有機(jī)溶液在壓力下通過花灑網(wǎng)眼尺寸180μm的噴淋裝置霧化成小液滴，均勻地灑向在1000rpm的高效混合機(jī)中旋轉(zhuǎn)的鋁和/或鋁合金粉末；

3)所述石墨烯納米片有機(jī)溶液全部噴灑完成后，保持所述高效混合機(jī)繼續(xù)運(yùn)行20min～100min；

4)將混合均勻的石墨烯包覆鋁合金的粉末從所述高效混合機(jī)中取出。

實(shí)施例6

石墨烯包覆鋁合金粉末包括如下重量份計(jì)的組分：石墨烯9％，鋁合金91％。鋁合金為按質(zhì)量百分比的下述組分：cu，4.9％；mg，1.8％；si，0.5％；ti，0.15％；fe，0.5％；zn，0.25％；mn，0.90％；cr，0.10％；余量為al和不可避免的雜質(zhì)。鋁合金粉末的粒徑為100μm。

1)將石墨烯在有機(jī)溶劑(濃度為40％的酒精溶液)中超聲分散后，然后置于轉(zhuǎn)速為7000rpm，線速度為85m/s的離心納米分散機(jī)中，得到離心分散后的石墨烯納米片有機(jī)溶液，所述石墨烯納米片有機(jī)溶液中石墨烯納米片層數(shù)在10層以下的占全部石墨烯納米片的90％以上；

2)將所述石墨烯納米片有機(jī)溶液在壓力下通過花灑網(wǎng)眼尺寸170μm的噴淋裝置霧化成小液滴，均勻地灑向在800rpm的高效混合機(jī)中旋轉(zhuǎn)的鋁和/或鋁合金粉末；

3)所述石墨烯納米片有機(jī)溶液全部噴灑完成后，保持所述高效混合機(jī)繼續(xù)運(yùn)行30min；

4)將混合均勻的石墨烯包覆鋁合金的粉末從所述高效混合機(jī)中取出。

實(shí)施例7

石墨烯包覆鋁合金粉末包括如下重量份計(jì)的組分：石墨烯05％，鋁合金95％。鋁合金為按質(zhì)量百分比的下述組分：cu，4％；mg，1.5％；si，0.5％；ti，0.15％；fe，0.5％；zn，0.25％；mn，0.60％；cr，0.10％；余量為al和不可避免的雜質(zhì)。鋁合金粉末的粒徑為50μm。

1)將石墨烯在有機(jī)溶劑(濃度為20％的酒精溶液)中超聲分散后，然后置于轉(zhuǎn)速為7000rpm，線速度為85m/s的離心納米分散機(jī)中，得到離心分散后的石墨烯納米片有機(jī)溶液，所述石墨烯納米片有機(jī)溶液中石墨烯納米片層數(shù)在10層以下的占全部石墨烯納米片的90％以上；

2)將所述石墨烯納米片有機(jī)溶液在壓力下通過花灑網(wǎng)眼尺寸200μm的噴淋裝置霧化成小液滴，均勻地灑向在800rpm的高效混合機(jī)中旋轉(zhuǎn)的鋁和/或鋁合金粉末；

3)所述石墨烯納米片有機(jī)溶液全部噴灑完成后，保持所述高效混合機(jī)繼續(xù)運(yùn)行100min；

4)將混合均勻的石墨烯包覆鋁合金的粉末從所述高效混合機(jī)中取出。

對比例1

1)將粒度為40μm的鋁合金霧化粉體和石墨烯(添加量為石墨烯/鋁合金復(fù)合材料量的0.1～5.0wt.％)，在轉(zhuǎn)速10～30r/min的混粉機(jī)中混合24～48h；

2)將步驟(1)制得的混合粉體放入轉(zhuǎn)速100～200r/min的混合機(jī)中混合10～30min；

3)將所制混合粉體、磨球和硬脂酸置于攪拌式球磨機(jī)中，充入液氮，待液氮浸沒全部磨球時(shí)開始球磨，球料比為40∶1；

4)低溫球磨2～4小時(shí)后，取出粉末并置于惰性氣體保護(hù)箱中，待其溫度恢復(fù)至室溫后取出。

從圖2～3中可以看出，對比例提供的方法得到的混合粉體中石墨烯未包覆鋁合金粉末，而本發(fā)明實(shí)施例提供的方法得到的混合粉體，石墨烯完整的包覆在鋁合金粉末的表面，與基體形成很好的界面結(jié)合。

本發(fā)明實(shí)施例提供的方法及裝置，實(shí)現(xiàn)了石墨烯在鋁合金粉體表面的包覆，有利于在石墨烯金屬復(fù)合材料中形成高質(zhì)量的石墨烯金屬界面結(jié)合；石墨烯不容易發(fā)生團(tuán)聚，無二次團(tuán)聚和重新凝固分散的現(xiàn)象；無需凝固、無需碾壓，避免形成板結(jié)或團(tuán)聚；無需振動和篩分，從而避免了由此帶來的石墨烯和鋁合金粉末的分布不均；工藝操作簡單、制造成本低廉、生產(chǎn)效率高；無需加熱也無需烘干，使石墨烯更好的在鋁合金粉體表面包覆，即環(huán)保安全，又縮短制備周期。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。