本發(fā)明涉及石墨烯增強復(fù)合材料的母料制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于增強鋁合金的石墨烯母料及制備方法。
背景技術(shù)：
：石墨烯納米片是由sp2雜化碳原子組成的單原子層厚度的二維材料，其展現(xiàn)出一系列不同尋常的物理性能。2004年novoselov等利用膠帶剝離法制備出石墨烯納米片樣品，并對其微觀組織結(jié)構(gòu)和物理學(xué)性能進行了表征。石墨烯納米片因其特殊的二維結(jié)構(gòu)，引起了物理、化學(xué)和材料學(xué)界研究學(xué)者的極大興趣，有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用研究成為近幾年的研究熱點。石墨烯是迄今為止實驗上發(fā)現(xiàn)的最堅韌、導(dǎo)電和導(dǎo)熱最好的材料。為盡快使石墨烯達到工程應(yīng)用狀態(tài)，歐盟在2012年啟動石墨烯旗艦技術(shù)項目，美國也大力投入，并且在石墨烯作為超強電容器等應(yīng)用研究已取得了突破性進展。濕化學(xué)還原法容易實現(xiàn)石墨烯納米片的大批量制備，并且獲得的石墨烯具有較好的親水性和單分散性，是理想的復(fù)合材料納米填料。由于石墨烯具有高的強度，其抗拉強度可達1060gpa，如何利用其來提高復(fù)合材料的強度成為研究熱點。目前已有關(guān)于石墨烯納米片增強高分子聚合物和陶瓷材料的報道。聚乙烯醇中填加0.7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯納米片，其抗拉強度提高76%；al2o3陶瓷基體中填加0.78%體積分?jǐn)?shù)的石墨烯納米片時，其彎曲強度提高30.75%，同時斷裂強度提高27.20%。鋁合金具有低的密度、高的強度和良好的延展性，在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為結(jié)構(gòu)材料，如何提高鋁合金強度一直是其研究者的主攻方向。目前來看，利用改變合金熔煉方式、調(diào)控成分、調(diào)整熱處理和變形工藝等方法在進一步提高鋁合金性能難有突破，鋁基復(fù)合材料應(yīng)運而生。鋁基復(fù)合材料具有密度小，耐蝕性強，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異，加工性能好等優(yōu)點成為當(dāng)前金屬基復(fù)合材料研究的主流。隨著汽車和航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是在太空空間，電離輻射等惡劣環(huán)境中對金屬基復(fù)合材料的比強度，比模量，耐蝕性，導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能要求更高，傳統(tǒng)的陶瓷纖維和顆粒增強體已經(jīng)不能滿足對材料的要求，相比于陶瓷纖維增強體碳纖維和石墨顆粒增強體高的導(dǎo)熱性，低的熱膨脹系數(shù)，優(yōu)異的阻尼能力和非常好的自潤滑性能引起了許多研究者的關(guān)注。在鋁合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳納米管制備鋁基復(fù)合材料來提高合金強度成為學(xué)者們研究方向。但增強效果不盡人意，且材料的塑性大幅降低。石墨烯納米片具有高的強度，大的比表面積和較好的延伸率，將其添加到鋁合金中形成鋁基復(fù)合材料，是解決提高鋁合金強度難題的不錯選擇。在最近幾年因為石墨烯優(yōu)異的機械性能和物理性能被認(rèn)為是最理想的金屬基復(fù)合材料增強體，相比于碳納米管，石墨烯的二維結(jié)構(gòu)使石墨烯更容易控制和分散在鋁基體中，為進一步提高鋁基復(fù)合材料的性能提供了新的途徑。對于鋁基復(fù)合材料來說，增強相在鋁基體中的分布是否均勻、增強相是否發(fā)生團聚、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。因為石墨烯較大的比表面積，其在鋁基體中很容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的球磨分散方法并不能保證將石墨烯均勻的分散在鋁基體中，同時在球磨過程中會形成加工硬化減弱石墨烯的增強效果，常規(guī)粉末冶金工藝采用的機械球磨只是將增強相和基體相的粉末均勻地混合在一起，粉體間很難在球磨過程中就形成界面結(jié)合，而且通過熔化結(jié)合使得能耗增加因此，石墨烯在鋁基體中的均勻分散如何實現(xiàn)，以及石墨烯/鋁的高質(zhì)量界面結(jié)合如何獲得，是制備石墨烯/鋁復(fù)合材料需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對以上情況，提出一種用于增強鋁合金的石墨烯母料及制備方法，主要技術(shù)要點在于利用硅酮的粘接固化特性，將石墨烯通過捏煉分散于硅酮中，然后與鋁粉混煉均勻形成膏狀復(fù)合材料，進一步固化研磨得到一種用于增強鋁合金的石墨烯母料。該母料與鋁粉具有良好的分散性，使得石墨烯與鋁形成的高質(zhì)量界面性，不但增強鋁合金，而且在大幅降低鋁合金制品的厚度的同時仍然保持高強度，使鋁合金進一步輕質(zhì)化改性的關(guān)鍵材料。本發(fā)明一種用于增強鋁合金的石墨烯母料及制備方法，可以解決石墨烯在鋁基材料中難以均勻分散的難題，同時簡化工藝過程和降低能耗，提高石墨烯與鋁的界面結(jié)合的質(zhì)量，推動鋁合金材料的輕質(zhì)化和強度改進歷程。本發(fā)明具體涉及的技術(shù)方案如下：一種用于增強鋁合金的石墨烯母料的制備方法，其特征在于通利用硅酮的粘接固化特性，將石墨烯通過捏煉分散于硅酮中，然后與鋁粉混煉均勻形成膏狀復(fù)合材料，進一步固化研磨得到一種用于增強鋁合金的石墨烯母料，具體步驟如下：（1）石墨烯與硅酮的捏煉：將石墨烯、硅酮、防老劑、硬脂酸、軟化劑及偶聯(lián)劑按重量份數(shù)：石墨烯10~20份、硅酮75~85份、防老劑0.5~1份、硬脂酸1~3份、軟化劑1~2份、偶聯(lián)劑0.3~0.5份，加入到捏煉機中，設(shè)置主電機功率、轉(zhuǎn)速、電壓、加壓空氣壓力參數(shù)，所述捏煉及混煉過程均應(yīng)在無水且氮氣保護的條件下進行；捏煉機的主電機功率設(shè)置為75~80kw；捏煉過程的轉(zhuǎn)速設(shè)置為950~1000r/min；捏煉過程的加壓空氣壓力設(shè)置為0.6~0.8mpa；捏煉至物料完全混合均勻，石墨烯與硅酮完成良好的界面結(jié)合；（2）將鋁粉加入溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5~1%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌1~1.5h，洗滌并干燥后，與步驟（1）得到的捏煉混合料按一定比例進行混煉，經(jīng)15~20min；后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；（3）向步驟（2）得到的膏狀復(fù)合材料中一邊加入固化劑，一邊攪拌，固化過程的攪拌速度為220~250r/min，使其混合均勻，逐漸降低攪拌速率，直至停止，膏狀復(fù)合材料也逐漸固化，然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機中進行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強度高的石墨烯母料。優(yōu)選的，步驟（1）所述石墨烯的固定碳含量應(yīng)不低于99.5%。優(yōu)選的，步驟（1）所述防老劑為n-(1，3-二甲基)丁基-n-苯基對苯二胺或n-異丙基-n-苯基對苯二胺。優(yōu)選的，步驟（1）所述軟化劑為非極性軟化劑，如凡士林、松焦油或松香。優(yōu)選的，步驟（1）所述偶聯(lián)劑為硅烷類偶聯(lián)劑，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷、3-（2，3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷或γ-巰丙基三甲氧基硅烷。優(yōu)選的，步驟（2）所述鋁粉的粒度應(yīng)為1~2μm，純度不低于99.93%。優(yōu)選的，步驟（2）所述鋁粉的使用量為捏煉混合料質(zhì)量的2~3倍。優(yōu)選的，步驟（3）所述固化劑為胺類固化劑，如乙烯基三胺、二氨基環(huán)己烷、二乙烯三胺或三甲基六亞甲基二胺；優(yōu)選的，步驟（3）所述固化劑的使用量為硅酮質(zhì)量的2~3%。一種用于增強鋁合金的石墨烯母料，其特征是由上述所述方法制備得到的石墨烯母料。該母料與鋁粉具有良好的分散性，和界面結(jié)合性，用于增強鋁合金，石墨烯與鋁形成的高質(zhì)量界面性將大幅提升鋁合金的強度。一種用于增強鋁合金的石墨烯母料及制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點和優(yōu)異的效果在于：1、本發(fā)明通過捏煉和固化將石墨烯分散與硅酮中，從而形成高質(zhì)量界面，形成了易于分散于鋁粉的石墨烯母料，對鋁基復(fù)合材料增強改性領(lǐng)域有著極大的推動作用。2、本發(fā)明母料可有效提高鋁基材料的強度，同時大幅度降低鋁合金制品的厚度，是鋁合金進一步輕質(zhì)化改進的關(guān)鍵材料。3、本發(fā)明的工藝過程簡單，成本和能耗低，適宜于推動規(guī)?；a(chǎn)。具體實施方式以下通過具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。實施例1一種用于增強鋁合金的石墨烯母料及制備方法，其制備石墨烯母料的具體過程如下：將10kg石墨烯、85kg硅酮、0.5kgn-(1，3-二甲基)丁基-n-苯基對苯二胺、2kg硬脂酸、2kg凡士林及0.5kgγ-氨丙基三乙氧基硅烷，加入到捏煉機中，設(shè)置主電機功率為75kw，轉(zhuǎn)速為1000/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.6mpa，在無水及氮氣保護氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將200kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為0.5%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.5h，洗滌并干燥后，在無水及氮氣保護氛圍下，與上述混合物一同進行混煉，經(jīng)15min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入乙烯基三胺，一邊攪拌，使其混合均勻。乙烯基三胺的加入量為1.7kg，攪拌速度由220r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機中進行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強度高的石墨烯母料。實施例2將15kg石墨烯、80kg硅酮、0.8kgn-(1，3-二甲基)丁基-n-苯基對苯二胺、2kg硬脂酸、1.8kg松焦油及0.4kgγ-氨丙基三乙氧基硅烷，加入到捏煉機中，設(shè)置主電機功率為80kw，轉(zhuǎn)速為970r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.7mpa，在無水及氮氣保護氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將220kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為0.8%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.2h，洗滌并干燥后，在無水及氮氣保護氛圍下，與上述混合物一同進行混煉，經(jīng)18min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入乙烯基三胺，一邊攪拌，使其混合均勻。乙烯基三胺的加入量為1.6kg，攪拌速度由240r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機中進行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強度高的石墨烯母料。實施例3將20kg石墨烯、75kg硅酮、1kgn-(1，3-二甲基)丁基-n-苯基對苯二胺、2.5kg硬脂酸、1.2kg松香及0.3kg3-（2，3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，加入到捏煉機中，設(shè)置主電機功率為78kw，轉(zhuǎn)速為950r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.8mpa，在無水及氮氣保護氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將250kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為1%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.5h，洗滌并干燥后，在無水及氮氣保護氛圍下，與上述混合物一同進行混煉，經(jīng)20min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入二氨基環(huán)己烷，一邊攪拌，使其混合均勻。二氨基環(huán)己烷的加入量為1.5kg，攪拌速度由230r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機中進行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強度高的石墨烯母料。實施例4將10kg石墨烯、85kg硅酮、0.5kgn-異丙基-n-苯基對苯二胺、2kg硬脂酸、2kg凡士林及0.5kg3-（2，3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，加入到捏煉機中，設(shè)置主電機功率為75kw，轉(zhuǎn)速為980r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.6mpa，在無水及氮氣保護氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將260kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為0.5%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1h，洗滌并干燥后，在無水及氮氣保護氛圍下，與上述混合物一同進行混煉，經(jīng)15min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入二氨基環(huán)己烷，一邊攪拌，使其混合均勻。二氨基環(huán)己烷的加入量為1.7kg，攪拌速度由240r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機中進行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強度高的石墨烯母料。實施例5將15kg石墨烯、80kg硅酮、0.8kgn-異丙基-n-苯基對苯二胺、2kg硬脂酸、1.8kg松焦油及0.4kgγ-巰丙基三甲氧基硅烷，加入到捏煉機中，設(shè)置主電機功率為80kw，轉(zhuǎn)速為1000r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.7mpa，在無水及氮氣保護氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將280kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為0.8%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.2h，洗滌并干燥后，在無水及氮氣保護氛圍下，與上述混合物一同進行混煉，經(jīng)18min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入二乙烯三胺，一邊攪拌，使其混合均勻。二乙烯三胺的加入量為1.6kg，攪拌速度由250r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機中進行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強度高的石墨烯母料。實施例6將20kg石墨烯、75kg硅酮、1kgn-異丙基-n-苯基對苯二胺、2.5kg硬脂酸、1.2kg松香及0.3kgγ-巰丙基三甲氧基硅烷，加入到捏煉機中，設(shè)置主電機功率為78kw，轉(zhuǎn)速為980r/min，電壓為380kv，加壓空氣壓力為0.8mpa，在無水及氮氣保護氛圍下捏煉至物料完全混合均勻；然后將300kg純度為99.5%的鋁粉加入質(zhì)量濃度為1%的十六烷基三甲基溴化銨溶液中，室溫下攪拌處理1.5h，洗滌并干燥后，在無水及氮氣保護氛圍下，與上述混合物一同進行混煉，經(jīng)20min后，得到石墨烯均勻分散的膏狀復(fù)合材料；然后向膏狀復(fù)合材料中一邊加入三甲基六亞甲基二胺，一邊攪拌，使其混合均勻。三甲基六亞甲基二胺的加入量為1.5kg，攪拌速度由230r/min逐漸降低，直至停止，膏狀復(fù)合材料也隨之逐漸固化。然后將其轉(zhuǎn)移至研磨機中進行研磨，得到分散性良好，界面結(jié)合強度高的石墨烯母料。將上述實施例1-6得到的石墨烯母料以10%的質(zhì)量比例與鋁合金粉末復(fù)合，通過分散攪拌、壓實成型、熱拉拔、定型，得到增強的鋁合金材料。相較于未加入本發(fā)明石墨烯母料的鋁合金材料，材料強度大幅提升，其強度如下表1所示：表1：實施案例抗拉伸強度（mpa）屈服強度（mpa）維氏硬度（hv）未加石墨烯母料的鋁合金材料15312052實施例122017870實施例224515271實施例323617776實施例422716572實施例524117070實施例623117172當(dāng)前第1頁12