本发明涉及一种石墨烯增强3d打印铝基复合材料及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术：
铝基复合材料具有比强度和比刚度高，高温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低。同其它复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。随着汽车和航空航天领域的发展，尤其是在太空空间，电离辐射等恶劣环境中对金属基复合材料的比强度，比模量，耐蚀性，导电导热等性能要求更高，传统的陶瓷纤维和颗粒增强体已经不能满足对材料性能的要求。例如，航空铝合金结构件一般用锻造和机械加工方法制造，然而随着航空领域竞争的愈益激烈，对飞机性能提出了更高的要求，采用锻造和机械加工方法制造铝合金结构件已不能满足航空领域快速发展的需要。
3d打印（3dprinting，又称三维打印）是一种快速成形技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。3d打印技术早在20世纪90年代中期就已出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。目前，3d打印技术已经应用到许多学科领域，工程师和工业设计师利用3d打印将设计方案转换为原型并测试；外科医生使用3d打印制作器官模型以协助策划复杂的手术方案；考古学家和博物馆的技师利用3d打印制作珍贵文物的复制品，并在此基础上开展研究，这样的创新应用正不断进入大众的视野。3d打印的应用领域正在迅速扩张。在消费电子、航空和汽车制造等行业，3d打印可以以较低的成本和较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。
另一方面，石墨烯(graphene)，即石墨的单原子层(厚度约为0.34nm)，是碳原子按照sp2碳-碳(c-c)键形成的以蜂窝状排列的二维晶体结构。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用微机械剥离的方法发现了石墨烯材料，并于2010年获得诺贝尔物理学奖。石墨烯材料集多种优异的性能于一身，其电子迁移率高于硅材料两个数量级表明石墨烯材料有望替代半导体工业中的硅材料，使其拥有广阔的应用前景。因此，在学术界和工业界备受瞩目，掀起了物理学和材料科学等领域的研究热潮。石墨烯材料具有优异的力学特性。石墨烯材料是地球上已知强度最高的材料，比钻石还硬，比钢铁的硬度还要高100倍以上。石墨烯材料的抗压能力也极强，所以石墨烯材料是一种刚性和柔性共存的材料。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种石墨烯增强3d打印铝基复合材料及其制备方法，结合具体材质、典型模具激光熔覆常见缺陷诊断和分析研究，进行技术创新，拓展了基于3d打印技术的石墨烯增强铝基复合材料的关键技术。
本发明提供了一种石墨烯增强3d打印铝基复合材料，由以下重量百分比的原料组成：
氧化石墨烯：0.15-0.52%，
al：99.48-99.85%。
本发明提供了一种石墨烯增强3d打印铝基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)制备氧化石墨烯；
(2)然后将纯铝粉冷冻在温度-100～-10℃之间且保持2.0～5.0小时；
(3)将铝粉和石墨烯混合后，利用高能球磨机对其进行球磨，球磨时间为0.5～3.0小时，球料比为4.5:1，转速为300～500rpm，使其粒度保持在100-500目之间；
(4)球磨过程中，通入ar惰性保护气体，使得石墨烯包覆铝粉界面结合进一步加强；
(5)将制得的混合粉末进行3d打印，3d打印过程为：首先通过刮板将粉体填充并刮平，然后激光选区粉末烧结，激光烧结功率为220-300w，激光扫描速度约为6-10m/s，粉体层高为0.03-0.05mm。
上述方案中，所述氧化石墨烯的制备方法为：
将1-5g石墨粉末，1-5g硝酸钠和46-100ml浓硫酸在冰浴条件下混合，搅拌20-40min，将5-10g高锰酸钾缓慢加入到混合溶液中，并不断搅拌形成一种混合溶液，控制混合液温度低于5-20℃。向上述烧杯中缓慢加入30-80ml蒸馏水，加热后再加入2-10ml质量分数为30%的过氧化氢溶液，然后用hcl和去离子水反复清洗制得到氧化石墨，最后超声分散2.5-3.5h得到氧化石墨烯。
本发明使用的3d打印技术，变传统的立体加工为平面加工的新思想，被公认为制造领域的一次重大突破。由于快速成形技术采用全新的“增长”加工法，彻底摆脱了传统“去除”加工法的限制，因此可以在无工、模具的情况下，只需花费传统加工方法10%-30%的工时和20%-35%的成本就能直接制造出产品模型或样品。正是由于快速成形技术这种极高的效率和低廉的成本，使得企业可以及时根据市场需求变化开发新的产品，多品种变批量的进行生产。
本发明的有益效果：
本发明采用分层加工、迭加成形来生成实体，与传统去除材料加工技术相比，显著的优点是能最大程度地减少甚至遏制材料的浪费，在机构的运动上主要表现为控制出料口模块的三维移动。适用于在航空制造业、机械加工、医学工程、家庭消费等领域的铝合金结构零件制造。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
将1g石墨粉末，1g硝酸钠和46ml浓硫酸在冰浴条件下混合，搅拌25min，将6g高锰酸钾缓慢加入到混合溶液中，并不断搅拌形成混合溶液，控制混合液温度低于6℃。向上述烧杯中缓慢加入50ml蒸馏水，加热后再加入6ml质量分数为30%的过氧化氢溶液，然后用hcl和去离子水反复清洗制得到氧化石墨，最后超声分散2.5h得到氧化石墨烯。然后将纯铝粉冷冻在温度-100℃且保持2.0小时。将铝粉和氧化石墨烯混合后，利用高能球磨机进行球磨，球磨时间为0.5小时，石墨烯的添加量在0.3%～0.32%之间（质量百分比），球料比为4.5:1，转速为300rpm，使其粒度保持在100-150目之间。在铝粉和氧化石墨烯混合后进行球磨的同时，通入ar惰性保护气体，使得石墨烯包覆铝粉界面结合进一步加强。将制得的混合粉末进行3d打印，3d打印时首先通过刮板将粉体填充并刮平，然后激光选区粉末烧结，激光烧结功率为220w，激光扫描速度约为6m/s，粉体层高为0.05mm。
经测试，其致密度达99.1%，硬度值为34.2hv。
实施例2：
将1g石墨粉末，1g硝酸钠和46ml浓硫酸在冰浴条件下混合，搅拌30min，将6g高锰酸钾缓慢加入到混合溶液中,并不断搅拌形成一种混合溶液，控制混合液温度低于8℃。向上述烧杯中缓慢加入50ml蒸馏水，加热后再加入6ml质量分数为30%的过氧化氢溶液,然后用hcl和去离子水反复清洗制得到氧化石墨，最后超声分散2.5h得到氧化石墨烯。然后将纯铝粉冷冻在温度-80℃且保持2.5小时。将铝粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨机对上述混合冷冻铝粉进行球磨，球磨时间为1.0小时，石墨烯的添加量在0.32%～0.38%之间，球料比为4.5:1，转速为360rpm，使其粒度保持在100-200目之间。在铝粉和一定量的石墨烯混合后进行球磨的同时，通入ar惰性保护气体，使得石墨烯包覆铝粉界面结合进一步加强。将制得的混合粉末进行3d打印，3d打印时首先通过刮板将粉体填充并刮平，然后激光选区粉末烧结，激光烧结功率为220w，激光扫描速度约为7m/s，粉体层高为0.04mm。
经测试，其致密度达99.3%，硬度值为34.5hv。
实施例3：
将1g石墨粉末，1g硝酸钠和46ml浓硫酸在冰浴条件下混合，搅拌35min，将6g高锰酸钾缓慢加入到混合溶液中,并不断搅拌形成一种混合溶液，控制混合液温度低于10℃。向上述烧杯中缓慢加入50ml蒸馏水，加热后再加入6ml质量分数为30%的过氧化氢溶液,然后用hcl和去离子水反复清洗制得到氧化石墨，最后超声分散3h得到氧化石墨烯。然后将纯铝粉冷冻在温度-60℃且保持4.0小时。将铝粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨机对上述混合冷冻铝粉进行球磨，球磨时间为2.0小时，石墨烯的添加量在0.38%～0.41%之间，球料比为4.5:1，转速为420rpm，使其粒度保持在200-260目之间。在铝粉和一定量的石墨烯混合后进行球磨的同时，通入ar惰性保护气体，使得石墨烯包覆铝粉界面结合进一步加强。将制得的混合粉末进行3d打印，3d打印时首先通过刮板将粉体填充并刮平，然后激光选区粉末烧结，激光烧结功率为280w，激光扫描速度约为8m/s，粉体层高为0.03mm。
经测试，其致密度达99.4%，硬度值为34.8hv。
实施例4：
将1g石墨粉末，1g硝酸钠和46ml浓硫酸在冰浴条件下混合，搅拌40min，将6g高锰酸钾缓慢加入到混合溶液中,并不断搅拌形成一种混合溶液，控制混合液温度低于15℃。向上述烧杯中缓慢加入50ml蒸馏水，加热后再加入6ml质量分数为30%的过氧化氢溶液,然后用hcl和去离子水反复清洗制得到氧化石墨，最后超声分散3h得到氧化石墨烯。然后将纯铝粉冷冻在温度-30℃且保持5.0小时。将铝粉和一定量的石墨烯混合后，利用高能球磨机对上述混合冷冻铝粉进行球磨，球磨时间为3.0小时，石墨烯的添加量在0.45%～0.49%之间，球料比为4.5:1，转速为420rpm，使其粒度保持在100-280目之间。在铝粉和一定量的石墨烯混合后进行球磨的同时，通入ar惰性保护气体，使得石墨烯包覆铝粉界面结合进一步加强。将制得的混合粉末进行3d打印，3d打印时首先通过刮板将粉体填充并刮平，然后激光选区粉末烧结，激光烧结功率为300w，激光扫描速度约为10m/s，粉体层高为0.05mm。
经测试，其致密度达99.6%，硬度值为35.3hv。