本發(fā)明涉及一種金屬層狀復(fù)合材料及其制備方法，尤其涉及一種基于石墨烯增強(qiáng)型輕金屬基層狀復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
金屬層狀復(fù)合材料是指兩種或多種金屬利用材料的復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合制備形成的一種材料。金屬層狀復(fù)合材料中的異種金屬之間呈層狀分布，具備比每個(gè)單一金屬更優(yōu)異的性能，形成復(fù)合效應(yīng)?？赏ㄟ^合理利用不同金屬之間組合，使金屬層狀復(fù)合材料具有特殊性能，從而在許多特殊領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
鎂及鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有低的密度、高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的耐高溫性、耐磨性、減震性等優(yōu)異的性能,將會(huì)在汽車制造，航空航天、國防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但存在強(qiáng)度和彈性模量低、成形性和耐腐蝕性較差等缺點(diǎn)，限制其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。而鋁及鋁合金具有較高的強(qiáng)度、良好的成形性和耐蝕性，且具有輕質(zhì)，導(dǎo)電性好、耐蝕，美觀及價(jià)廉的特點(diǎn)，被廣泛用于電器材料、容器和建筑材料；金屬鈦具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕、耐磨的特性，在航空、航天及化工設(shè)備上有廣泛的應(yīng)用。將鎂和鋁或鎂和鈦結(jié)合起來制備成層狀復(fù)合材料,結(jié)合鋁、鈦密度低、抗腐蝕的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了鎂合金表面耐蝕性差的不足，同時(shí)充分發(fā)揮了鎂合金輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢，是具有發(fā)展應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)功能型復(fù)合材料。鈦和鋁復(fù)合在一起形成的鈦/鋁層狀復(fù)合板，同時(shí)具有兩層金屬的特性，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點(diǎn)，是一種重量輕，高耐磨性，高耐蝕性，高強(qiáng)度，高剛度的優(yōu)質(zhì)材料。
目前添加在輕金屬基層狀復(fù)合材料中增強(qiáng)相主要是納米顆粒，包括碳納米管、金屬或非金屬氧化物顆粒等。石墨烯因其優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能近幾年引起材料界廣泛的關(guān)注，可作為增強(qiáng)體應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料，將會(huì)增強(qiáng)輕金屬基層狀復(fù)合材料的各方面性能。輕金屬基層狀復(fù)合材料的制備方法目前主要有擴(kuò)散連接、爆炸復(fù)合、攪拌摩擦焊、通道擠壓、熱壓和軋制復(fù)合等。前面幾種方法制備添加石墨烯的輕金屬基層狀復(fù)合材料會(huì)存在石墨烯分布不均勻或不能制備大尺寸的板材或成本太高，而軋制復(fù)合法能夠解決以上問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯增強(qiáng)型的輕金屬基層狀復(fù)合材料及其制備方法，一方面能夠提高輕金屬基層狀復(fù)合板材的各方面性能，另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸輕金屬基層狀復(fù)合板材的大規(guī)模、低成本生產(chǎn)。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
本發(fā)明提供一種輕金屬基層狀復(fù)合材料，包括層狀輕金屬與分布于該層狀金屬中的石墨烯納米片，其特征在于，所述輕金屬層狀復(fù)合材料包括至少兩層異質(zhì)輕金屬基板層與至少一層復(fù)合層交替排布，復(fù)合層位于兩層異質(zhì)輕金屬層之間。
優(yōu)選地，所述輕金屬基層狀復(fù)合材料，其特征在于，所述的輕金屬為純鎂或鎂合金，純鋁或鋁合金，純鈦或鈦合金。
優(yōu)選地，所述輕金屬基層狀復(fù)合材料，其特征在于，所述石墨烯納米片為單層石墨烯或多層石墨烯；所述單層輕金屬基板厚度為0.01mm-10mm。
優(yōu)選地，所述輕金屬基層狀復(fù)合材料，其特征在于，所述輕金屬基層狀復(fù)合材料中石墨烯納米片的質(zhì)量百分比為3％以下。
優(yōu)選地，所述輕金屬基層狀復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合層為異質(zhì)輕金屬滲入到石墨烯納米片的間隙中，與石墨烯納米片復(fù)合，形成的一層復(fù)合層。
優(yōu)選地，所述所述輕金屬基層狀復(fù)合材料，其特征在于，所述石墨烯納米片均勻分布于復(fù)合層中。
本發(fā)明還提供一種輕金屬基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟一：對兩塊異質(zhì)輕金屬基板的表面進(jìn)行處理，去除表面氧化物和油脂等，晾干后用鋼絲刷對表面進(jìn)行打磨；
步驟二：將石墨烯納米片加入到丙酮中，利用超聲設(shè)備將石墨烯納米片在丙酮中分散均勻，時(shí)間0.1h以上，利用噴槍將石墨烯納米片均勻噴灑覆蓋到步驟一的一塊輕金屬基板上，再覆蓋上步驟一的另一塊輕金屬基板，獲得石墨烯納米片與步驟一的兩塊異質(zhì)輕金屬基板交替排布的復(fù)合板；
步驟三；將步驟二獲得的復(fù)合板利用金屬絲將其固定，在壓力機(jī)上進(jìn)行室溫預(yù)壓制，壓制時(shí)間為0.1-10h，壓制壓力為1t以上；
步驟四：將步驟三的獲得的復(fù)合板進(jìn)行疊軋，形成輕金屬基層狀復(fù)合材料。
優(yōu)選地，所述一種輕金屬基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟四后，還包括步驟五：對步驟四的復(fù)合板進(jìn)行退火處理后從中間位置切割分成兩塊復(fù)合板，重復(fù)步驟一至四，其中石墨烯納米片與異質(zhì)輕金屬是交替排布的，并可根據(jù)實(shí)際所需多次重復(fù)步驟五，最終可得到石墨烯納米片均勻分布的多層輕金屬基層狀復(fù)合材料。
優(yōu)選地，所述一種輕金屬基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述軋制的方法為冷軋，或溫軋，或熱軋，或電致塑性軋制，或溫軋+電致塑性軋制，其中，mg/al基復(fù)合板的溫軋溫度為50-250℃，熱軋的溫度為250-600℃；al/ti基復(fù)合板的溫軋溫度為100-350℃，熱軋的溫度為350-600℃；mg/ti基復(fù)合板的溫軋溫度為100-300℃，熱軋的溫度為300-600℃；復(fù)合板的熱軋須在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行，電致塑性軋制的脈沖電流參數(shù)為：脈沖寬度為50-300μs，頻率為150-1000hz，電流密度幅值為50-1500a/mm2。
優(yōu)選地，所述一種輕金屬基層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，還包括對原始輕金屬基板及輕金屬基層狀復(fù)合材料的退火處理過程。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，所述輕金屬基層狀復(fù)合材料采用將性能優(yōu)異的石墨烯納米片涂覆與輕金屬基板之間進(jìn)行室溫靜壓后，通過冷軋，或溫軋，或熱軋，或電致塑性軋制，或溫軋+電致塑性軋制的方式，形成層狀復(fù)合材料，石墨烯納米片均勻分布于復(fù)合層中，解決了石墨烯納米片在復(fù)合材料中不易分散的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸層狀復(fù)合板材的規(guī)模生產(chǎn)，工藝簡單，成本相對較低，同時(shí)異質(zhì)輕金屬基板層與復(fù)合層交替排列，提高了輕金屬基層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，復(fù)合層數(shù)目越多，對輕金屬基層狀復(fù)合材料的增強(qiáng)增塑的效果越明顯。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)說明，本實(shí)施例在本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出詳細(xì)的實(shí)施方式和具體操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供了一種純鎂/純鋁層狀金屬復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
步驟一：對純鎂板與純鋁板的表面進(jìn)行處理，去除表面氧化物和油脂等，晾干后用鋼絲刷對表面進(jìn)行打磨，獲得一定粗糙度的待加工的金屬基板；其中純鎂板和純鋁板厚度均為2mm；
步驟二：將石墨烯納米片加入到丙酮中，利用超聲設(shè)備將石墨烯納米片在丙酮中分散均勻，時(shí)間2h，利用噴槍將石墨烯納米片均勻噴灑覆蓋到步驟一的純鎂板上，再覆蓋步驟一的純鋁板，獲得石墨烯納米片與步驟一的鎂板、鋁板交替排布的復(fù)合板；其中石墨烯納米片占復(fù)合板整體的質(zhì)量百分比為1.5％；
步驟三；將步驟二獲得的復(fù)合板利用金屬絲將其固定，在壓力機(jī)上進(jìn)行室溫預(yù)壓制，壓制時(shí)間為2h，壓制壓力為50t；
步驟四：將步驟三的獲得的復(fù)合板進(jìn)行熱軋，壓下量為85％，熱軋溫度400℃，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，最終形成石墨烯納米片均勻分布的鎂/鋁層狀金屬復(fù)合材料。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供了一種鋁合金/鈦合金層狀金屬復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
步驟一：對鋁合金板與鈦合金板的表面進(jìn)行處理，去除表面氧化物和油脂等，晾干后用鋼絲刷對表面進(jìn)行打磨，獲得一定粗糙度的待加工的金屬基板；其中鋁合金板和鈦合金板厚度為1mm；
步驟二：將石墨烯納米片加入到丙酮中，利用超聲設(shè)備將石墨烯納米片在丙酮中分散均勻，時(shí)間2h，利用噴槍將石墨烯納米片均勻噴灑覆蓋到步驟一的鋁合金板上，再覆蓋步驟一的鈦合金板，獲得石墨烯納米片與步驟一的鋁合金板、鈦合金板交替排布的復(fù)合板；其中石墨烯納米片占復(fù)合板整體的質(zhì)量百分比為1％；
步驟三；將步驟二獲得的復(fù)合板利用金屬絲將其固定，在壓力機(jī)上進(jìn)行室溫預(yù)壓制，壓制時(shí)間為2h，壓制壓力為60t；
步驟四：將步驟三的獲得的復(fù)合板進(jìn)行電致塑性軋制，形成復(fù)合板，其中，電致塑性軋制的壓下量為35％，脈沖寬度為80μs，頻率為600hz，電流密度幅值為1000a/mm2；
步驟五：對步驟四的復(fù)合板進(jìn)行退火處理后從中間位置切割分成兩塊復(fù)合板，重復(fù)步驟一至四6次，其中石墨烯納米片與鋁基板、鈦基板是交替排布的，加上步驟四的1次共7次電塑性疊軋，形成石墨烯納米片均勻分布的多層鋁/鈦層狀金屬復(fù)合材料；
步驟六：對步驟五形成的多層復(fù)合材料進(jìn)行退火處理，退火溫度為200℃，退火時(shí)間為2h，消除復(fù)合板的內(nèi)應(yīng)力，得到石墨烯納米片均勻分布的多層鋁/鈦層狀金屬復(fù)合材料。
實(shí)施例3
本實(shí)施例提供了一種鎂合金/純鈦層狀金屬復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
步驟一：對鎂合金板與純鈦板的表面進(jìn)行處理，去除表面氧化物和油脂等，晾干后用鋼絲刷對表面進(jìn)行打磨，獲得一定粗糙度的待加工的金屬基板；其中鎂合金板和純鈦板厚度為1.5mm；
步驟二：將石墨烯納米片加入到丙酮中，利用超聲設(shè)備將石墨烯納米片在丙酮中分散均勻，時(shí)間2h，利用噴槍將石墨烯納米片均勻噴灑覆蓋到步驟一的鎂合金板上，再覆蓋步驟一的純鈦板，獲得石墨烯納米片與步驟一的鎂合金板、純鈦板交替排布的復(fù)合板；其中石墨烯納米片占復(fù)合板整體的質(zhì)量百分比為1％；
步驟三；將步驟二獲得的復(fù)合板利用金屬絲將其固定，在壓力機(jī)上進(jìn)行室溫預(yù)壓制，壓制時(shí)間為2h，壓制壓力為80t；
步驟四：將步驟三的獲得的復(fù)合板進(jìn)行溫軋+電致塑性軋制，形成復(fù)合板，其中，軋制的壓下量為35％，溫軋溫度為250℃，脈沖寬度為60μs，頻率為400hz，電流密度幅值為1200a/mm2；
步驟五：對步驟四的復(fù)合板進(jìn)行退火處理后從中間位置切割分成兩塊復(fù)合板，重復(fù)步驟一至四8次，其中石墨烯納米片與鎂基板、純鈦板是交替排布的，加上步驟四的1次共9次疊軋，形成石墨烯納米片均勻分布的多層鎂/鈦層狀金屬復(fù)合材料；
步驟六：對步驟五形成的多層復(fù)合材料進(jìn)行退火處理，退火溫度為200℃，退火時(shí)間為2.5h，消除復(fù)合板的內(nèi)應(yīng)力，得到石墨烯納米片均勻分布的多層鎂/鈦層狀金屬復(fù)合材料。