一种石墨烯/不锈钢复合装甲材料的制作方法

本发明涉及一种复合材料的，具体涉及一种石墨烯/不锈钢复合装甲材料。

背景技术：

石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，呈单层片状结构(厚度仅为几个纳米)。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，是目前世界上已知的比强度最高、最坚硬的纳米材料，其断裂强度高达130gpa。

石墨烯与金属复合的工艺方法目前主要有两种：熔融铸造法和粉末冶金法。采用熔融铸造法制备石墨烯不锈钢复合材料时，由于石墨烯与金属二者密度差异大，石墨烯很难在不锈钢液内部均匀分散，此外，二者在材料制备过程中还有可能发生高温界面反应，恶化材料性能。因此石墨烯不锈钢复合材料较少采用熔融铸造法来制备。采用粉末冶金法制备石墨烯不锈钢复合材料时，需先获得石墨烯和不锈钢均匀混合的粉体，然后通过后续的压力加工来制备石墨烯不锈钢复合块体材料，最大限度地抑制了传统熔融铸造法带来的高温界面反应。因此，石墨烯不锈钢复合材料一般采用粉末冶金法来制备。

目前，轻型装甲车一直采用钢制防弹装甲，武装直升飞机采用钛合金防弹装甲。但是未来战争对陆军的远程投送能力、武装直升飞机的有效载荷能力都提出越来越高的要求，这就对装备重量提出了严苛要求，使得以前使用的钢制装甲和钛合金装甲已不能满足未来武器装备发展的需要。因此需要提供一种密度低，成本低，易批量生产的复合装甲材料。

对于不锈钢基复合材料来说，增强相在不锈钢基体中的分布是否均匀、增强相是否发生团聚、界面结合是否紧密，直接决定着复合材料性能的优劣。石墨烯存在尺寸小，比表面积大，很难分散，很容易团聚的问题，因此，石墨烯在不锈钢基体中的均匀分散如何实现，是制备石墨烯不锈钢复合材料需要突破的关键技术。尤其是采用粉末冶金法制备石墨烯不锈钢复合材料时，如何获得石墨烯在不锈钢粉体中均匀分散的混合粉体，是制备高品质石墨烯不锈钢复合材料的前提和基础。此外已有的用于制备此种复合材料的混合设备耐磨性差、体积庞大、使用寿命短。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种石墨烯/不锈钢复合装甲材料，该方法对石墨烯与不锈钢粉末混合方法进行改进，是一种新的工艺和方法，本方法可将石墨烯纳米片均匀地包覆在金属粉体的表面，实现石墨烯与金属粉体的均匀混合。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种石墨烯和不锈钢复合装甲材料，其特征在于，所述不锈钢复合装甲材料包括按质量百分比的下述组分：c≤0.03％；si≤1.0％；mn≤2.0％；p≤0.045％；s≤0.03％；ni:10.0～14.0％；cr:16.0～18.0％；mo:2.0～3.0％；余量为fe和不可避免的杂质。

进一步的，所述不锈钢包括按质量百分比的下述组分：c≤0.12％；si≤1.0％；mn≤2.0％；s≤0.03％；p≤0.035％；cr：18.0～19.0％；ni：8.0～11.0％；ti：0.1～0.8％；余量fe和不可避免的杂质。

进一步的，所述不锈钢包括按质量百分比的下述组分：cr：18.0％。

进一步的，所述不锈钢包括按质量百分比的下述组分：ni：10.0％。

进一步的，所述不锈钢包括按质量百分比的下述组分：ti：0.6％。

一种石墨烯/不锈钢复合装甲材料，其特征在于，该材料的制备方法包括如下步骤：

1)制备石墨烯层数小于10的纳米片有机溶液：于7000～9000rpm转速、线速度85～115m/s下的离心纳米分散机中，处理有机溶液石墨烯分散体；

2)石墨烯包覆不锈钢粉末：用花洒网眼尺寸为60～280μm的喷淋装置将步骤1)的有机溶液石墨烯分散体喷雾于混合机中旋转的不锈钢粉末上；

3)于混合机中对包覆石墨烯的不锈钢粉末混合20～100min，即得石墨烯和不锈钢复合装甲材料。

进一步地，按质量百分数计，所述方法制备的石墨烯包覆的不锈钢粉末含：石墨烯0.05％～9％，不锈钢粉末91％～99.95％；所述不锈钢粉末的粒径为10～100μm；所述花洒网眼尺寸为100μm～200μm。

进一步地，所述离心纳米分散机的转速为8000rpm，线速度为100m/s；所述混合机的转速为1000rpm。

进一步地，所述纳米片有机溶液中的有机溶剂为乙醇、npm、聚乙二醇和/或pvp中的一种或多种，所述有机溶剂的浓度为20％～100％。

进一步地，所述纳米片有机溶液中的有机溶剂为无水乙醇。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种石墨烯/不锈钢复合装甲材料，实现了石墨烯在不锈钢粉体表面的均匀包覆，有利于石墨烯金属复合材料形成高质量的石墨烯金属界面结合体。

2、本发明提供的一种石墨烯和不锈钢复合装甲材料的制备方法，石墨烯不容易发生团聚，无二次团聚和重新凝固分散的现象。

3、本发明提供的一种石墨烯和不锈钢复合装甲材料的制备方法，无需凝固、无需碾压，避免形成板结或团聚。

4、本发明提供的一种石墨烯和不锈钢复合装甲材料的制备方法，无需振动和筛分，从而避免了由此带来的石墨烯和不锈钢粉末的分布不均的缺陷。

5、本发明提供的一种石墨烯/不锈钢复合装甲材料，工艺操作简单、制造成本低廉、生产效率高。

6、本发明提供的一种石墨烯/不锈钢复合装甲材料，无需加热也无需烘干，使石墨烯更好的在不锈钢粉体表面包覆，即环保安全，又缩短制备周期。

7.本发明选用的材料制备的纳米分散机大大延长了使用寿命、减轻了体积。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种石墨烯和不锈钢复合装甲材料的制备方法用离心纳米分散机结构示意图；

图2为本发明实施例制得的石墨烯和不锈钢复合装甲材料的扫描电镜照片(sem)；

图3为本发明对比例制得的石墨烯和不锈钢复合装甲材料的扫描电镜照片(sem)。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。

所述离心纳米分散机包括位于驱动装置4下方且由其带动的离心转动盘1、与所述离心转动盘1相对设置的设有中心孔的固定盘2，设置于固定盘2下方的循环搅拌装置3和机壳5，其中，所述循环搅拌装置3的进料口与所述中心孔连通、出料口位于固定盘2一侧；离心转动盘1和固定盘2间的距离为0.2mm；循环搅拌装置3用于循环和搅拌有机溶液。离心转动盘是用下述按质量百分比计的下述组份制得的：c：0.12～0.20；si：≤0.30；mn：0.30～0.70；s：≤0.045；p：≤0.045；cr：允许残余含量≤0.30；ni：允许残余含量≤0.30；cu：允许残余含量≤0.30。所述循环搅拌装置是在槽外搅拌的离心式搅拌器，所述离心式搅拌器的搅拌桨是用下述按质量百分比计的下述组份制得的：c≤0.08；mn≤2.00；p≤0.045；s≤0.030；si≤1.00；cr：18.0～20.0；ni:8.0～11.0。

机壳是用下述按质量百分比计的下述组份制得的：70份聚碳酸酯和30份聚丙烯腈合金而成的热可塑性塑胶制成的。所述聚丙烯腈合金是用下述按质量百分比计的下述组份制得的：丙烯腈15％～35％，丁二烯5％～30％，苯乙烯40％～60％。

实施例1：

本实施例提供一种石墨烯和不锈钢复合装甲材料的制备方法，具体步骤如下：

石墨烯包覆不锈钢粉末包括如下质量份计的组分：石墨烯0.05％，不锈钢99.95％。石墨烯可以由hummer’s法制备。不锈钢为按质量百分比的下述组分：c：0.03％；si：0.5％；mn：2.0％；p：0.04％；ni:12.0％；cr:16.0％；mo:3.0％；余量为fe和不可避免的杂质；不锈钢粉末的粒径为10μm。

1)将石墨烯在浓度为95％的酒精溶液中超声分散后，置于转速为9000rpm，线速度为115m/s的离心纳米分散机中，得到离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纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；

2)在压力下将所述石墨烯纳米片有机溶液通过花洒网眼尺寸60μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地喷雾在1200rpm的高效混合机中旋转的不锈钢粉末上；其中，用冷凝回收装置回收挥发溶剂，也可以通过其他方式实现回收和再利用。

3)石墨烯酒精溶液体喷洒完成后，高效混合机继续运行100min；

4)从高效混合机中取出混合均匀的石墨烯包覆不锈钢粉末。

实施例2：

石墨烯包覆不锈钢粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯9％，不锈钢91％。不锈钢为按质量百分比的下述组分：c：0.02％；mn：1.0％；s：0.02％；ni:14.0％；cr:17.0％；mo:2.0％；余量为fe和不可避免的杂质。不锈钢粉末的粒径为100μm。

1)将石墨烯在浓度为95％的酒精溶液中超声分散后，然后置于转速为8000rpm，线速度为100m/s的离心纳米分散机中，得到离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纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；

2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸100μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在1000rpm的高效混合机中旋转的不锈钢粉末；

3)石墨烯酒精溶液喷洒完成后高效混合机继续运行40min；

4)从所述高效混合机中取出混合均匀的石墨烯包覆不锈钢的粉末。

实施例3

石墨烯包覆不锈钢粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯5％，不锈钢95％。不锈钢为按质量百分比的下述组分：si：1.0％；p：0.045％；s：0.03％；ni:10.0％；cr:18.0％；mo:2.5％；余量为fe和不可避免的杂质。不锈钢粉末的粒径为60μm。

1)将石墨烯在有机溶剂(浓度为40％的酒精溶液)中超声分散后，然后置于转速为7000rpm，线速度为85m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯纳米片有机溶液，所述石墨烯纳米片有机溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；

2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸180μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒在1100rpm的高效混合机中旋转的不锈钢粉末上；

3)所述石墨烯纳米片有机溶液全部喷洒完成后高效混合机继续运行100min；

4)从所述高效混合机中取出混合均匀的石墨烯包覆不锈钢的粉末。

实施例4

石墨烯包覆不锈钢粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯0.05％，不锈钢99.95％。不锈钢为按质量百分比的下述组分：c：0.04％；mn：2.0％；p：0.03％；cr：19.0％；ni：9.0％；ti：0.1％；余量fe和不可避免的杂质。不锈钢粉末的粒径为10μm。

1)将石墨烯在有机溶剂(浓度为100％的聚乙二醇溶液)中超声分散后，然后置于转速为8000rpm，线速度为100m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯纳米片有机溶液，所述石墨烯纳米片有机溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；

2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸280μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在1000rpm的高效混合机中旋转的不锈钢粉末；

3)所述石墨烯纳米片有机溶液全部喷洒完成后高效混合机继续运行20min；

4)从所述高效混合机中取出混合均匀的石墨烯包覆不锈钢的粉末。

实施例5

石墨烯包覆不锈钢粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯9％，不锈钢91％。不锈钢为按质量百分比的下述组分：c：0.12％；si：0.4％；s：0.03％；p：0.035％；cr：17.0％；ni：8.0％；ti：0.4％；余量fe和不可避免的杂质。不锈钢粉末的粒径为100μm。

1)将石墨烯在有机溶剂(浓度为40％的酒精溶液)中超声分散后，然后置于转速为7000rpm，线速度为85m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯纳米片有机溶液，所述石墨烯纳米片有机溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；

2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸170μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在800rpm的高效混合机中旋转的不锈钢粉末；

3)所述石墨烯纳米片有机溶液全部喷洒完成后，保持所述高效混合机继续运行30min；

4)将混合均匀的石墨烯包覆不锈钢的粉末从所述高效混合机中取出。

实施例6

石墨烯包覆不锈钢粉末包括如下重量份计的组分：石墨烯5％，不锈钢95％。不锈钢为按质量百分比的下述组分：si：1.0％；mn：1.0％；s：0.02％；cr：18.0％；ni：11.0％；ti：0.8％；余量fe和不可避免的杂质。不锈钢粉末的粒径为60μm。

1)将石墨烯在有机溶剂(浓度为40％的酒精溶液)中超声分散后，然后置于转速为7000rpm，线速度为85m/s的离心纳米分散机中，得到离心分散后的石墨烯纳米片有机溶液，所述石墨烯纳米片有机溶液中石墨烯纳米片层数在10层以下的占全部石墨烯纳米片的90％以上；

2)将所述石墨烯纳米片有机溶液在压力下通过花洒网眼尺寸200μm的喷淋装置雾化成小液滴，均匀地洒向在800rpm的高效混合机中旋转的不锈钢粉末；

3)所述石墨烯纳米片有机溶液全部喷洒完成后，保持所述高效混合机继续运行100min；

4)将混合均匀的石墨烯包覆不锈钢的粉末从所述高效混合机中取出。

对比例1

1)将粒度为40μm的不锈钢雾化粉体和石墨烯(添加量为石墨烯/不锈钢复合材料量的0.1～5.0wt.％)，在转速10～30r/min的混粉机中混合24～48h；

2)将步骤(1)制得的混合粉体放入转速100～200r/min的混合机中混合10～30min；

3)将所制混合粉体、磨球和硬脂酸置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没全部磨球时开始球磨，球料比为40:1；

4)低温球磨2～4小时后，取出粉末并置于惰性气体保护箱中，待其温度恢复至室温后取出。

从图2～3中可以看出，对比例提供的方法得到的混合粉体中石墨烯未包覆不锈钢粉末，而本发明实施例提供的方法得到的混合粉体，石墨烯完整的均匀包覆于不锈钢粉末表面，与基体形成很好的界面结合体。

本发明实施例提供的方法，实现了石墨烯在不锈钢粉体表面的包覆，有利于在石墨烯金属复合材料中形成高质量的石墨烯金属界面结合；石墨烯不容易发生团聚，无二次团聚和重新凝固分散的现象；无需凝固、无需碾压，避免形成板结或团聚；无需振动和筛分，从而避免了由此带来的石墨烯和不锈钢粉末的分布不均；工艺操作简单、制造成本低廉、生产效率高；无需加热也无需烘干，使石墨烯更好的在不锈钢粉体表面包覆，即环保安全，又缩短制备周期。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。