本发明属于金属基复合材料研究领域，具体涉及一种镁基石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术：
随着现代科学技术与制造产业的飞速发展，航空航天、交通运输、电子通讯等领域对轻质高强度金属结构材料的需求与应用也变得越来越广泛。镁基复合材料通过在镁基体中添加增强相而制得，不仅具有密度小、阻尼减震性好、电磁屏蔽性好等杰出特性，还可获得更高的比强度、比刚度、耐腐蚀性、耐磨性、尺寸稳定性。目前，镁基复合材料的研究已成为科研工作者的研究热点，其制品在航空航天及国防科技领域也将占据重要地位。
自从2004年石墨烯问世以来，由于其具有极优异的力学物理特性，“石墨烯热”迅速席卷全球。石墨烯是目前自然界最薄且最坚硬的材料，抗拉强度125gpa、弹性模量1100gpa、导热系数5000w·m-1·k-1，被认为是非常有潜力的金属复合材料增强相，对新型高性能复合材料的研制具有重要意义。
目前，利用石墨烯作为增强相制备金属基复合材料的研究仍处于起步阶段，且主要集中在铝基、铜基、钛基等体系，而关于石墨烯增强镁基复合材料的研究报道却非常少。由于石墨烯与镁合金之间存在分散不均匀、润滑性差、界面结合差等难题，导致石墨烯增强镁基复合材料的效果无法达到预期，严重制约了众多研究者的科研进展。因此，解决以上问题，才能为石墨烯增强镁基复合材料的研究和应用提供良好基础。
现有的石墨烯增强镁基复合材料的制备方法，通常是将石墨烯与镁基混合粉末进行超声搅拌分散或球磨分散，通过真空干燥得到复合粉末，之后通过冷压制坯、真空烧结制得毛坯，最后通过热挤压制备出石墨烯镁基复合材料。然而，上述的制备方法往往存在以下问题：分散效果易受搅拌过程或球磨过程的影响，从而限制石墨烯对镁基复合材料的增强效果；粉末烧结产品不能完全致密，且容易产生氧化、烧毁等缺陷，严重影响镁基复合材料的性能与质量，其生产效率低，加工成本高。因此，通过常规的制备工艺，改善石墨烯在镁基体重的分散性，提高石墨烯对镁基复合材料的增强效果，获得新型高性能的镁基复合材料是当今世界金属复合材料领域研究的热点，也必将成为未来新型高性能材料研究的主要方向之一。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决石墨烯与镁合金之间存在分散不均匀、润滑性差、界面结合差等难题，提供了一种镁基石墨烯复合材料的制备方法，该方法采用简单易实现的制备工艺，生产成本低、材料的制备范围广、安全环保，具有广泛的应用推广前景。
本发明一种镁基石墨烯复合材料的制备方法，具体步骤为：
(1)取一定质量的石墨烯粉末，加入到适量的无水乙醇溶液中超声处理0.5-1h，制得分散均匀的石墨烯乙醇溶液，待用；
(2)在真空手套箱内取一定质量粒度为300-400目的金属镁粉，加入到适量的无水乙醇溶液中，进行超声处理并机械搅拌，同时多次少量的滴加步骤(1)所制得的石墨烯乙醇溶液，超声处理和机械搅拌的时长为1-2h，获得分散均匀的石墨烯/镁粉混合溶液；
(3)将步骤(2)所制得的混合溶液进行过滤后真空干燥，制得镁基石墨烯复合粉末。
(4)将步骤(3)所制得的复合粉末转移至真空手套箱内，随后将复合粉末装入铝包套，装粉的过程中通过不断震实提高其密实度，最后将铝包套进行真空除气密封。
(5)将步骤(4)所密封的包套在200-400℃，挤压比10-20的条件下进行热挤压，制得镁基石墨烯固结预制坯。
(6)采用惰性气体保护，将镁及镁合金按一定的合金成分进行熔炼，再将步骤(5)所制得的固结预制坯加入到熔融态金属液中，待合金成分熔化完全，将金属液浇铸到处于螺旋磁场搅拌系统中的金属铸型中，待熔体凝固后制得镁基石墨烯复合材料。
进一步的，步骤(1)中石墨烯为单层或少层石墨烯，纯度大于99％。
进一步的，步骤(2)中金属镁粉为纯镁粉末，粒度为300-400目。
进一步的，步骤(2)中真空手套箱内充满氩气。
进一步的，步骤(2)中超声处理的功率为300-1000w，机械搅拌速度为300-1000转/分钟。
进一步的，步骤(3)中真空干燥的温度范围为35-60℃,干燥时间为2-6h。
进一步的，步骤(4)中铝包套装粉后，内部粉末的初始密实度为60-85％。
进一步的，步骤(5)中粉末铝包套与挤压模具在热挤压前需要预热，预热温度为200-400℃，保温1-2h，挤压过程中需涂抹润滑剂。
进一步的，步骤(6)中熔炼原材料为纯镁或镁合金，固结预制块去除包套后需在熔炼前预热至150-500℃。
进一步的，步骤(6)中镁基石墨烯复合材料采用螺旋磁场搅拌方法进行制备，浇铸前开启螺旋磁场搅拌系统，待合金凝固后将其关闭，金属铸型需提前预热至300-400℃，施加的励磁电压范围不高于120v。
本发明所用的螺旋磁场搅拌系统是自主研发的镁合金铸造方法所用的电磁搅拌装置，已经申请实用新型专利，实用新型专利的专利号为2013200376097，申请日为2013.1.8。通过调整镁合金铸造方法所用的电磁搅拌装置的励磁电压，调整磁场对所述的镁基石墨烯复合材料凝固过程和性能的影响。
与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果是：
第一，本发明预先采用超声处理并机械搅拌将石墨烯均匀的分散在镁粉表面,再将挤压态固结预制坯加入到熔融金属液中,可有效将镁粉表面粘附的石墨烯均匀分散到熔融金属液中,可以有效保证石墨烯结构的完整性,充分发挥其强化效果。待合金成分熔化完全，浇铸后采用螺旋磁场搅拌凝固技术制得镁基石墨烯复合材料。
第二，本发明中镁基石墨烯复合粉末采用包套抽真空热挤压，可以有效去除粉末中的气体，减少内部残余孔隙，制得表面质量较好、致密度较高的镁基石墨烯复合固结预制块，便于其后续的应用与再加工。
第三，本发明采用螺旋磁场搅拌凝固技术，在金属液的凝固过程中施加螺旋磁场，迫使金属液做有规律的对流运动，有利于改善合金成分偏析、减少铸造缺陷、细化晶粒，从而提高材料的制备质量，获得新型高性能的镁基石墨烯复合材料。
第四，本发明采用简单易实现的制备工艺，生产成本低、材料的制备范围广、安全环保，具有广泛的应用推广前景。
附图说明
图1为本发明所述的镁基石墨烯复合材料的制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
一种镁基石墨烯复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
(1)取200mg石墨烯粉末加入到300ml无水乙醇溶液中，经400w、40min的超声处理，制得浓度为0.67mg/ml且分散均匀的石墨烯乙醇溶液；
(2)在真空手套箱内取99.8g粒度为325目的金属镁粉，加入到100ml无水乙醇溶液中，经15min超声处理并机械搅拌；同时多次少量的滴加步骤(1)所制得的石墨烯乙醇溶液，超声处理和机械搅拌的时长为2h，获得分散均匀的石墨烯/镁粉混合溶液；
(3)将步骤(2)所制得的混合溶液进行过滤后真空干燥，35℃干燥6h，制得镁基石墨烯复合粉末。
(4)将步骤(3)所制得的复合粉末转移至真空手套箱内，随后将复合粉末装入铝包套，装粉密实度达到70％，最后将铝包套进行真空除气密封。
(5)将步骤(4)所密封的包套预热在250℃，挤压比14的条件下进行热挤压，制得镁基石墨烯固结预制坯，粉末铝包套与挤压模具的预热条件为250℃、保温2h。
(6)采用惰性气体保护，熔炼400g高纯镁锭(99.99％)至熔融金属液，再将去除包皮且预热200℃、保温1h的固结预制坯加入到熔融态金属液中，待其熔化完全，将金属液浇铸到处于螺旋磁场搅拌系统中的金属铸型中，铸型预热温度为300℃，施加的励磁电压为90v，待熔体凝固后制得镁基石墨烯复合材料。
比较例1：
作为对比，采用常规熔炼工艺进行纯镁锭的熔炼，待其熔化完全，将金属液浇铸到处于螺旋磁场搅拌系统中的金属铸型中，铸型预热温度为300℃，施加的励磁电压为90v，待熔体凝固后，取出铸锭。
实施例2：
一种镁基石墨烯复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
(1)取500mg石墨烯粉末加入到400ml无水乙醇溶液中，经600w、30min的超声处理，制得浓度为1.25mg/ml且分散均匀的石墨烯乙醇溶液；
(2)在真空手套箱内取99.5g粒度为400目的金属镁粉，加入到100ml无水乙醇溶液中，经15min超声处理并机械搅拌；同时多次少量的滴加步骤(1)所制得的石墨烯乙醇溶液，超声处理和机械搅拌的时长为2h，获得分散均匀的石墨烯/镁粉混合溶液；
(3)将步骤(2)所制得的混合溶液进行过滤后真空干燥，45℃干燥5h，制得镁基石墨烯复合粉末。
(4)将步骤(3)所制得的复合粉末转移至真空手套箱内，随后将复合粉末装入铝包套，装粉密实度达到80％，最后将铝包套进行真空除气密封。
(5)将步骤(4)所密封的包套预热在350℃，挤压比10的条件下进行热挤压，制得镁基石墨烯固结预制坯，粉末铝包套与挤压模具的预热条件为350℃、保温1h。
(6)采用惰性气体保护，将400g镁合金(其质量分数为：zn2％，zr0.7％，ca0.5％，其余为镁)熔炼至熔融金属液，再将去除包皮且预热250℃、保温1h的固结预制坯加入到熔融态金属液中，待合金成分熔化完全，将金属液浇铸到处于螺旋磁场搅拌系统中的金属铸型中，铸型预热温度为350℃，施加的励磁电压为120v，待熔体凝固后制得镁基石墨烯复合材料。
比较例2：
作为对比，采用常规熔炼工艺进行镁合金的熔炼，待合金成分熔化完全，将金属液浇铸到处于螺旋磁场搅拌系统中的金属铸型中，铸型预热温度为350℃，施加的励磁电压为120v，待熔体凝固后，取出铸锭。
表1实施例1、2与相应制备工艺所得材料的基本性能对比
从表1可以看出，本发明所制得的镁基石墨烯复合材料可充分发挥石墨烯作为增强相制备金属基复合材料的优势，同时，本发明所申请的制备方法简单易实现，生产成本低、材料的制备范围广、安全环保，便于新型高性能镁基复合材料的制备生产。
以上所述实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非以此限定本发明，所属领域的技术人员在不脱离本发明精髓的情况下，对本发明的任何改进，均属于本发明的保护范围之内。