本發(fā)明屬于金屬復(fù)合材料制備領(lǐng)域，特別涉及鎂基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著航空航天、汽車、電子、城市交通等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對輕量化結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求。作為最具希望的輕量化結(jié)構(gòu)材料的鎂合金復(fù)合材料，因具有高的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)異的耐磨、減振等特性，受到了廣泛的關(guān)注和重視。而石墨烯（Graphene, GN）自2004年發(fā)現(xiàn)以來，由于其優(yōu)越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和超強(qiáng)的綜合力學(xué)性能（彈性模量超過1TPa，強(qiáng)度約為最好鋼材的100倍），被認(rèn)為是鎂合金理想的增強(qiáng)體。目前，石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料還處于起始階段，要制備高性能鎂基復(fù)合材料需解決以下3個(gè)問題：一是如何實(shí)現(xiàn)石墨烯在鎂基體中的均勻；二是如何解決石墨烯與鎂基體的界面結(jié)合差問題；三是如何使石墨烯在復(fù)合材料制備過程中保持其結(jié)構(gòu)的完整性。氧化鋯可與鎂基體發(fā)生界面反應(yīng)，生成的界面產(chǎn)物氧化鎂可以與鎂基體形成強(qiáng)的界面結(jié)合，細(xì)化鎂基體的晶粒組織。與此同時(shí)，界面反應(yīng)可以改善石墨烯在鎂基體中的分散性。因此，采用氧化鋯對石墨烯進(jìn)行表面改性，在其表面包覆一層均勻的氧化鋯，則能夠有效改善石墨烯在鎂基體中的分散性，細(xì)化晶粒組織，并提高石墨烯與鎂基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種氧化鋯改性石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的方法。

本發(fā)明所述的一種氧化鋯改性石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟。

（1）增強(qiáng)體預(yù)制塊制備。

（a）將氧化鋯改性石墨烯（Zirconia functionalized graphene, ZrO₂@GN）加入到適量的乙醇中，超聲1-4h得到均勻分散的氧化鋯改性石墨烯分散液。

（b）按AZ91鎂合金與氧化鋯改性石墨烯的質(zhì)量比50-100﹕1-10，將粒度小于325目的AZ91鎂合金粉末加入到步驟（a）所得混合液中，機(jī)械攪拌2-5h后獲得分散較均勻的混合漿液。

（c）對步驟（b）所得混合漿液進(jìn)行濾+真空干燥后轉(zhuǎn)移至模具中，室溫條件下采用600-1000MPa壓力壓制成ZrO₂@GN增強(qiáng)體預(yù)制塊生坯。

（d）將步驟（c）所得預(yù)制塊生坯在氬氣保護(hù)下550-650℃燒結(jié)2-4h得到ZrO₂@GN增強(qiáng)體預(yù)制塊。

（e）將步驟（d）所得預(yù)制塊進(jìn)行切削加工得到含有ZrO₂@GN增強(qiáng)體的鎂屑。

（f）將步驟（e）所得鎂屑預(yù)熱至100-150℃?zhèn)溆谩?/p>

（2）復(fù)合材料熔煉。

（g）爐體溫度升高至200℃時(shí)，將一定量AZ91鎂合金加入到坩堝中，并在爐料上均勻地撒上占鎂合金重量比為1-2%的RJ2熔煉覆蓋劑，同時(shí)通入CO₂和SF6保護(hù)氣以防止熔煉過程中鎂被氧化。繼續(xù)升溫至680-750℃，待爐料全部熔化后，去除其表面熔渣，靜置10-30 min后，加入步驟（1）預(yù)熱好的含有ZrO₂@GN增強(qiáng)體的鎂屑，待完全熔化后，去除熔體表面熔渣，再靜置5-20min得到復(fù)合材料熔體。

（h）將步驟（g）所得復(fù)合材料熔體溫度調(diào)至550-780℃后，在保護(hù)氣氛環(huán)境下，進(jìn)行機(jī)械攪拌分散（攪拌速率為50-300rpm，攪拌時(shí)間為3-20min）獲得增強(qiáng)相分散較均勻的復(fù)合材料熔體。

（3）真空吸：將步驟（2）所得復(fù)合材料熔體溫度調(diào)至580-650℃，靜置5-10min后，去除其表面熔渣，采用真空吸鑄工藝（真空壓力小于0.1×10^-3MPa，保壓時(shí)間為3-10min）制得氧化鋯改性石墨烯增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料。

本發(fā)明工藝成本低，安全可靠，操作簡單，改性石墨烯在鎂合金中分散較均勻且與基體界面結(jié)合強(qiáng)度高，晶粒細(xì)化效果明顯，復(fù)合材料性能優(yōu)異，適于工業(yè)化制備高性能石墨烯/鎂基復(fù)合材料。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所用包覆氧化鋯石墨烯 (ZrO₂@GN) 增強(qiáng)體SEM形貌。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1條件下制備的ZrO₂@GN/AZ91鎂合金預(yù)制塊斷口形貌。

圖3為本發(fā)明制備的AZ91合金顯微組織。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1條件下制備的0.3wt.%ZrO₂@GN/AZ91鎂基復(fù)合材料顯微組織。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2條件下制備的0.5wt.% ZrO₂@GN/AZ91鎂基復(fù)合材料顯微組織。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將結(jié)合附圖，通過以下實(shí)施例作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1。

按如下步驟。

（1）增強(qiáng)體預(yù)制塊制備：（a）將3g氧化鋯改性石墨烯加入到1000ml乙醇中，超聲2h得到均勻分散的ZrO₂@GN分散液；（b）將97g粒度小于325目的AZ91鎂合金粉末加入到步驟（a）所得分散液中，機(jī)械攪拌2h后獲得分散較均勻的混合漿液；（c）對步驟（b）所得混合漿液進(jìn)行濾+真空干燥后轉(zhuǎn)移至模具中，室溫條件下采用600MPa壓力壓制成ZrO₂@GN增強(qiáng)體預(yù)制塊生坯。（d）將步驟（c）所得預(yù)制塊生坯在氬氣保護(hù)下600℃燒結(jié)3h得到ZrO₂@GN增強(qiáng)體預(yù)制塊。（e）將步驟（d）所得預(yù)制塊進(jìn)行切削加工得到含有ZrO₂@GN增強(qiáng)體的鎂屑。（f）將步驟（e）所得鎂屑預(yù)熱至100℃?zhèn)溆谩?/p>

（2）復(fù)合材料熔煉：（g）爐體溫度升高至200℃時(shí)，將900g AZ91合金加入到坩堝中，并在爐料上均勻地撒上10g RJ2覆蓋劑，同時(shí)通入CO₂和SF6保護(hù)氣以防止熔煉過程中鎂被氧化。繼續(xù)升溫至720℃，待爐料全部熔化后，去除其表面熔渣，靜置15 min后，加入步驟（1）預(yù)熱好的預(yù)制塊鎂屑，待完全熔化后，去除熔體表面熔渣，再靜置10min得到復(fù)合材料熔體。（h）將步驟（g）所得復(fù)合材料熔體溫度調(diào)至650℃后，在保護(hù)氣氛環(huán)境下，進(jìn)行機(jī)械攪拌分散（攪拌速率為100rpm，攪拌時(shí)間為10min）獲得增強(qiáng)相分散較均勻的復(fù)合材料熔體。

（3）真空吸：將步驟（2）所得復(fù)合材料熔體溫度調(diào)至620℃，靜置5min后，去除其表面熔渣后，采用真空吸鑄工藝（真空壓力小于0.1×10^-3MPa，保壓時(shí)間為3min）制得氧化鋯改性石墨烯增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料（0.3wt.%ZrO₂@GN/AZ91）。

對0.3wt.%ZrO₂@GN/AZ91復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能測試，其抗拉強(qiáng)度達(dá)250-270MPa，延伸率達(dá)10.5-13.8%，硬度為70-84HV，是一種力學(xué)性能優(yōu)良的復(fù)合材料。

實(shí)施例2。

按如下步驟。

（1）增強(qiáng)體預(yù)制塊制備：（a）將5g氧化鋯改性石墨烯加入到1500ml乙醇溶液混合中，超聲2h得到均勻分散的ZrO₂@GN分散液；（b）將95g粒度小于325目的AZ91鎂合金粉末加入到步驟（a）所得分散液中，機(jī)械攪拌3h后獲得分散較均勻的混合漿液；（c）對步驟（b）所得混合漿液進(jìn)行濾+真空干燥后轉(zhuǎn)移至模具中，室溫條件下采用600MPa壓力壓制成ZrO₂@GN增強(qiáng)體預(yù)制塊生坯。（d）將步驟（c）所得預(yù)制塊生坯在氬氣保護(hù)下600℃燒結(jié)3h得到ZrO₂@GN增強(qiáng)體預(yù)制塊。（e）將步驟（d）所得預(yù)制塊進(jìn)行切削加工得到含有ZrO₂@GN增強(qiáng)體的鎂屑。（f）將步驟（e）所得鎂屑預(yù)熱至100℃?zhèn)溆谩?/p>

（2）復(fù)合材料熔煉：（g）爐體溫度升高至200℃時(shí)，將900g AZ91鎂合金加入到坩堝中，并在爐料上均勻地撒上占鎂合金比重為10g的RJ2熔煉覆蓋劑，同時(shí)通入CO₂和SF6保護(hù)氣以防止熔煉過程中鎂被氧化。繼續(xù)升溫至720℃，待爐料全部熔化后，去除其表面熔渣，靜置15 min后，加入步驟（1）預(yù)熱好的含有ZrO₂@GN增強(qiáng)體的鎂屑，待完全熔化后，去除熔體表面熔渣，再靜置5min得到復(fù)合材料熔體。（h）將步驟（g）所得復(fù)合材料熔體溫度調(diào)至650℃后，在保護(hù)氣氛環(huán)境下，進(jìn)行機(jī)械攪拌分散（攪拌速率為100rpm，攪拌時(shí)間為10min）獲得增強(qiáng)相分散較均勻的復(fù)合材料熔體。

（3）真空吸：將步驟（2）所得復(fù)合材料熔體溫度調(diào)至620℃，靜置5min，去除其表面熔渣后，采用真空吸鑄工藝（真空壓力小于0.1×10^-3MPa，保壓時(shí)間為5min）制得氧化鋯改性石墨烯增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料（0.5wt.%ZrO₂@GN/AZ91）。

對0.5wt.%ZrO₂@GN/AZ91復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能測試，其抗拉強(qiáng)度達(dá)270-305MPa，延伸率達(dá)12-16%，硬度為80-100HV，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

圖1為本發(fā)明所用包覆氧化鋯石墨烯 (ZrO₂@GN) 增強(qiáng)體SEM形貌。圖中可觀察到片狀石墨烯表面包覆著許多納米ZrO₂顆粒，且分布較均勻，表明其改性效果較好。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1條件下制備的ZrO₂@GN/AZ91鎂合金粉預(yù)制塊斷口形貌。圖中顯示，呈褶皺形貌的石墨烯納米片清晰可見，表明ZrO₂@GN增強(qiáng)體在預(yù)制塊中分散狀態(tài)較好。

圖3為本發(fā)明制備的AZ91合金顯微組織。圖中可以觀察到較粗大的晶粒組織，邊界處可觀察到少量的二次相（Mg₁₇Al₁₂）。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1條件下制備的0.3wt.%ZrO₂@GN/AZ91鎂基復(fù)合材料顯微組織。圖中顯示，晶粒組織明顯變細(xì)，且邊界處二次相明顯增多（與圖3相比），起到了較好的細(xì)晶強(qiáng)化，同時(shí)強(qiáng)界面結(jié)合使得石墨烯載荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)化機(jī)制更有效，復(fù)合材料力學(xué)性能較高。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2條件下制備的0.5wt.% ZrO₂@GN/AZ91鎂基復(fù)合材料顯微組織。圖中可觀察到，組織中二次相進(jìn)一步增多，晶粒尺寸更細(xì)小，石墨烯的強(qiáng)化效果更佳。