一种石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。
【背景技术】
[0002] 钛及钛合金具有密度低，强度高、耐高低温、耐腐蚀等特点；其突出的性能促使钛 及钛合金成为军事工业、航空航天、航海、汽车、石油化工、生物医药等行业的理想材料，从 而成为复合材料理想的基体。
[0003] 石墨烯是一种碳原子以SP2杂化的形式存在的二维碳材料，具有十分优异的导电 性、导热性，以及力学性能。它的弹性模量和抗拉强度分别能达到1. 〇5Tpa和130Gpa。人们 已经对石墨烯增强金属基复合材料（Gr-MMCs)，如铝基、镍基、镁基、铜基，进行了初步的探 索。研究发现石墨烯增强的金属基复合材料具有较高的比强度、比弹性模量以及良好的耐 磨性等。
[0004] 但是石墨烯增强金属基复合材料在烧结时会遇到一系列的问题，如石墨烯粉末非 常容易团聚，如果加入两性表面活性剂，会导致杂质的引入，在粉末冶金的球磨阶段又容易 遭到结构的破坏。另外，有关石墨烯增强钛基复合材料的研究还未见报道。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯增强钛基复合材 料及其制备方法，利用所述方法制备的复合材料中石墨烯分布均匀，杂质含量少，具有较高 的比强度和比弹性模量；该方法工艺简单。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0007] -种石墨烯增强钛基复合材料，以所述石墨烯增强钛基复合材料的体积为100% 计，其各组成的成分及体积分数：石墨烯粉末1. 80~1. 90%，钛粉98. 10~98. 20%。
[0008] -种本发明所述石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：
[0009] (1)原料的称量：首先，利用透射电子显微镜或原子力显微镜观察出石墨烯的层 数L，再测量出L层石墨烯的厚度T，从而可得石墨烯片层间距d = IV (L-1)，由于石墨烯每 个片层的厚度为一个原子尺度，可忽略不计，根据下述公式可以计算出石墨烯的密度：
[0010]
[0011] 其中，P(；Nps为石墨稀的密度，单位为g/cm3;d为石墨稀片层间距，单位为nm ; P gMPhite为石墨的密度，为2. 25g/cm3;0. 34nm为石墨的片层间距；
[0012] 然后，称量石墨烯的质量，并计算出其相应的体积；再根据石墨烯的体积，称取相 应的钛粉；
[0013] (2)粉末的混合：石墨烯粉末与无水乙醇混合后超声分散20~30min，然后在搅 拌下加入钛粉，得到混合浆料；将得到的混合浆料转移至球磨罐中，加入球磨珠，在300~ 350r/min下球磨0. 4~2. 5h ;然后，除去球磨后浆料中的无水乙醇，得到粉末；将得到的粉 末在90~120°C的真空干燥箱内干燥10~12h，得到干燥好的粉末；
[0014] 其中，球磨珠与石墨烯粉末和钛粉的质量比为5~6:1 ;
[0015] (3)热压烧结：将步骤（2)中干燥好的粉末装入石墨模具内，模具内部垫石墨纸， 以防钛粉与模具发生反应；热压炉中通氩气保护，并对石墨模具施加2~2. 12t的压力，以 10~12°C /min的升温速率加热至900~1300°C，保温1~1. 5h后自然冷却至室温，石墨 模具中的产物为所述石墨烯增强钛基复合材料。
[0016] 优选地，所述石墨模具的内部垫喷涂了氮化硼（BN)的石墨纸。
[0017] 有益效果：
[0018] 本发明所制备的石墨烯增强钛基复合材料中石墨烯分布均匀，杂质含量少，具有 较高的比强度和比弹性模量，相对于纯钛的抗拉强度提高了 21. 3~51. 5%，并且断后延伸 率相对于传统颗粒增强钛基复合材料较高，可达14~22%，是一种较低成本且力学性能优 异的非连续增强钛基复合材料。
[0019] 本发明所述方法中，严格控制球磨混粉过程中的球磨时间及球磨转速，时间过长， 转速过高，易造成材料结构的破坏；时间过短，转速过低，达不到混合均勾的目的。在球磨过 程中，通过调控球磨的时间及转速，使得石墨烯能够在基体上均匀分布，且混合后的材料结 构完整。采用氩气保护下的热压烧结技术，使复合材料的致密度较高，钛粉颗粒结合较好， 增强效果明显。
【附图说明】
[0020] 图1为实施例1制得的石墨烯增强钛基复合材料的高分辨透射电子显微镜图。
[0021] 图2为实施例1制得的石墨烯增强钛基复合材料的拉伸断口的扫描电子显微镜 (SEM)图。
[0022] 图3为实施例2制得的石墨烯增强钛基复合材料的扫描电子显微镜（SEM)图。
[0023]图4为实施例3制得的石墨烯增强钛基复合材料的X射线衍射（XRD)谱图。
[0024] 图5为实施例3制得的石墨烯增强钛基复合材料的的EDS能谱图。
[0025]图6为实施例4制得的石墨烯增强钛基复合材料与相同工艺下制备的纯钛的准静 态拉伸曲线对比图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述。
[0027] 以下实施例中：
[0028] 石墨稀粉末是由纯度> 90 %的少层石墨稀片组成，厚度为1~1. 7nm，直径约为 50 ym，通过计算得到该石墨稀的密度为1. 06g/cm3,该石墨稀粉末的生产厂家为苏州恒球 石墨烯科技有限公司。
[0029] 钛粉：密度4. 51g/cm3,销售厂家为成都天齐机械五矿进出口股份有限公司。
[0030] 纯钛的制备：钛粉与无水乙醇混合后超声分散20~30min ;然后，转移至球磨罐 中，加入球磨珠，其中，球磨珠与钛粉的质量比为5~6:1，在300~350r/min下球磨0. 4~ 2. 5h ;再除去球磨后浆料中的无水乙醇，得到粉末；将得到的粉末在90~120°C的真空干燥 箱内干燥10~12h，得到干燥好的粉末；将干燥好的粉末装入石墨模具内，模具内部垫石墨 纸；热压炉中通氩气，并对石墨模具施加2~2. 12t的压力，以10~12°C /min的升温速率 加热至900~1300°C，保温1~1. 5h后自然冷却至室温，石墨模具中的产物为所述纯钛。 除了不添加石墨烯粉末外，纯钛的制备与对应实施例中制备石墨烯增强钛基复合材料的其 他工艺条件相同。
[0031] 石墨模具：模具的内径为30mm，压头直径为24. 6mm，模具的内部垫一层0. 2mm厚的 喷涂了 BN的石墨纸；
[0032] 热压炉：R-C-ZKQY-07,上海辰荣电炉有限公司；
[0033] 扫描电子显微镜：日本HITACHI公司生产的HITACHI S-4800N场发射扫描电子显 微镜；
[0034] 透射电子显微镜：美国FEI公司生产的Tecnai G2F20型透射电子显微镜。
[0035] 实施例1
[0036] 将0. 11437g体积分数为1. 80%的石墨烯粉末和200mL无水乙醇混合后超声分 散30min，然后在搅拌下加入25. 0376g体积分数为98. 20 %的钛粉，得到混合浆料；将得到 的混合衆料转移至球磨罐中，加入125. 76g氧化错陶瓷球磨珠，300r/min下球磨0. 4h，利 用旋转蒸发仪于65r/min 75°C下除去球磨后浆料中的无水乙醇，得到粉末；将得到的粉末 在90°C的真空干燥箱中干燥12h，得到干燥好的粉末；将得到的干燥好的粉末装入石墨模 具内，热压炉中通氩气，并对石墨模具施加2. 12t的压力，以12°C /min的升温速率加热至 900°C，保温lh后自然冷却至室温，石墨模具中的产物为体积为03〇x8 mm的石墨烯增强 钛基复合材料。
[0037] 对本实施所得到的石墨烯增强钛基复合材料进行的表征及结果如下：
[0038] 图1是该复合材料的高分辨透射电子显微镜图，从图中晶格分布可知，该复合材 料中明显存在两相，即纯钛相和石墨烯与纯钛在高温烧结过程中原位自生形成的TiC相， 而且两相间的界面结合良好。从该复合材料的SEM图中可知，石墨烯原位自生形成的TiC 颗粒均匀分布在纯钛基体中。图2是该复合材料拉伸断口的