本发明涉及石墨烯应用技术的领域，特别涉及一种石墨烯增强的高硅铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
铝硅复合材料的比强度和比刚度高，热膨胀系数低，耐磨性及体积稳定性较好，并具有足够高的高温强度等优点在航空航天及汽车制造业中得到广泛应用。当硅含量超过铝硅共晶点成分12.6％后，虽然强度得到进一步提高，但由于镶嵌在基体中的硅颗粒尺寸增大且形状不规则，使其基体严重割裂，在硅相尖端处形成应力集中，降低了材料的抗拉强度，并且恶化材料的切削加工性能。目前常用铝硅基复合材料的硅含量基本低于共晶成分，铝硅基复合材料的增强体主要分为颗粒增强和纤维增强体，但其生产成本较高，且利用颗粒增强和纤维增强等进一步增强铝基复合材料的潜力越来越小。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种石墨烯增强的高硅铝基复合材料及其制备方法。
本发明的石墨烯增强的高硅铝基复合材料，含有成分按质量百分比为：硅：15.0～20.0％，铜：2.0～4.0％，镁：0.5～1.0％，钛：0.05～0.07％，硼：0.02～0.05％，石墨烯：0.3～0.6％，余量为铝。
上述的石墨烯增强的高硅铝基复合材料，含有成分按质量百分比第一优选方案为：硅：15.0～18.0％，铜：3.0～4.0％，镁：：0.5～1.0％，钛：0.05～0.06％，硼：0.02～0.03％，石墨烯：0.3～0.6％，余量为铝。
上述的石墨烯增强的高硅铝基复合材料，含有成分按质量百分比第二优选方案：硅：18.0～20.0％，铜：2.0～3.0％，镁：0.5～1.0％，钛：0.06～0.07％，硼：0.03～0.05％，石墨烯：0.3～0.6％，余量为铝。
本发明的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，混料：
按石墨烯增强的高硅铝基复合材料的成分百分比配料后，在惰性气体或氮气保护下，装入混料罐，以30～50r/min的转速混料24～36h，静置1～2h后，再以30～40r/min的转速混料24～36h，静置散热至常温，得到混合均匀的合金粉末；
步骤2，模压烧结：
(1)将混合均匀的合金粉末，在惰性气体保护下倒入压制模具，在220～250mpa保压5～8min，脱模得到块状烧结坯料；
(2)对块状烧结坯料进行真空烧结，烧结温度560～575℃，烧结时间1.5～2h后，随炉冷却至室温，得烧结后的坯料；
步骤3，后续热处理：
针对步骤1中石墨烯增强的高硅铝基复合材料的成分配比，当15.0％≤硅的质量百分含量＜18％时，采用如下处理(a)和(b)：
(a)对烧结后的坯料，进行淬火处理，淬火温度为500℃，保温时间1～3h后水冷；
(b)将淬火后的坯料，进行回火处理，回火温度为150～200℃，保温时间1～3h后空冷，制得石墨烯增强的高硅铝基复合材料；
针对步骤1中石墨烯增强的高硅铝基复合材料的成分配比，当18.0％≤硅的质量百分含量≤20.0％％时，采用如下处理(c)和(d)：
(c)对烧结后的坯料进行多向锻造，锻造温度为480～500℃，变形速度为2～4mm/s，每道次锻造均改变锻造变形方向；
(d)将锻造后的坯料，进行退火处理，退火温度180～200℃，退火时间1～3h，制得石墨烯增强的高硅铝基复合材料。
上述的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的制备方法，其中：
所述步骤1中，装入混料罐是在气体保护手套隔离箱中进行。
所述步骤1中，惰性气体为氩气。
所述步骤1中，混料在三维空间运动混料球磨机中进行。
所述步骤1中，以30～40r/min的转速混料24～36h后静置1～2h，目的是防止长时间连续旋转导致混料罐温度升高，引起罐内粉末出现冷焊现象，故停顿1～2h。
所述步骤2中，模压采用0.5mn双柱手动液压机。
所述步骤2中，真空烧结采用真空热压烧结炉。
所述步骤2中，烧结时间视合金粉末量确定。
所述步骤3中，淬火处理采用电阻炉。淬火保温时间根据零件尺寸确定。
所述步骤3中，多向锻造采用双柱手动液压机。
所述步骤3中，共进行5～10道次锻造。
石墨烯本身是新型高性能纳米材料，强度高，柔韧性好，导电导热性能及光学性能优异，因其独特的结构而具有狄拉克-费米特性、奇异的量子霍尔效应和最小量子电导率等性质。与传统增强体相比，具有更大的比强度、比表面积和更低的生产成本，成为代替陶瓷纤维、碳纳米管和硬质颗粒的最理想的增强体材料。目前国内外常见的a390、zl117、ks282等硅含量大约在15％～22％的高硅铝合金，其比强度更高、热膨胀系数更低，尤其适用于航模和摩托车活塞材料，但随着硅含量的提高，出现粗大多角形块状或板状硅颗粒，力学性能特别是伸长率显著降低。改善硅颗粒在铝基体中的形态及分布，使硅颗粒细化弥散分布对提高高硅铝基材料的机械性能至关重要。石墨烯的添加，明显改善了高硅铝基复合材料中硅颗粒的形态，对硅颗粒有细化效果，提高了铝硅复合材料的综合力学性能。
本发明的石墨烯增强的高硅铝基复合材料及其制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
本发明通过选择特定的配方制备出一种具有较高强度和硬度的高性能石墨烯增强高硅铝基复合材料，同时具有轻量、耐磨损、导热系数高、低热膨胀系数、良好切削加工性能的优点，并且还具有优异的导热性，可广泛应用于航空航天、精密仪器和汽车制造领域。
添加石墨烯纳米材料提高了高硅铝基复合材料的拉伸强度和屈服强度，且其延伸率也有提高。石墨烯纳米片的加入，使高硅铝基复合材料组织中的硅颗粒细化并弥散分布，材料的抗拉强度从328mpa提高到400mpa以上，增加了20％以上；同时材料的屈服强度从202mpa以上提高到236mpa以上。其改善的效果明显优于其他材料增强高硅铝基复合材料的强化效果。石墨烯的添加改善了硅颗粒的形态和分布，使其屈服强度和塑性均获得改善。
随着si含量的提高，复合材料抗热裂能力提高，为使石墨烯铝硅基多元复合材料的强度得到最大的释放，针对si含量接近20％的石墨烯增强高硅铝基复合材料采用多向锻造工艺，可以使增强相颗粒分布更均匀，并且在材料内部产生大量位错，位错胞破碎成亚晶或细晶，达到细晶强化的效果。
附图说明
图1本发明实施例1制备的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的微观组织形貌；
图2本发明实施例2制备的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的微观组织形貌；
图3本发明实施例3制备的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的微观组织形貌；
图4本发明实施例4制备的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的微观组织形貌。
具体实施方式
实施例1
一种石墨烯增强的高硅铝基复合材料，含有成分按质量百分比为：硅：15.0％，铜：4.0％，镁：1.0％，钛：0.06％，硼：0.03％，石墨烯：0.5％，铝为余量。
上述的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，混料：
石墨烯增强的高硅铝基复合材料的成分按质量百分比计，硅15.0％，铜4.0％，镁1.0％，钛0.06％，硼0.03％，石墨烯0.5％，铝为余量。
在氩气保护下的手套隔离箱中按上述质量百分比将700目的各种原材料粉末进行配料并装入混料罐，再将混料罐装配在球磨机上，然后在三维空间运动混料球磨机中，以40r/min的转速混料30h，静置1h后，目的是防止长时间连续旋转导致混料罐温度升高，引起罐内粉末出现冷焊现象，再次重复连续旋转混料30h，静置散热至常温后从球磨机卸下，得到混合均匀的合金粉末；
步骤2，模压烧结：
(1)将混合均匀的合金粉末在氩气保护下倒入压制模具，采用0.5mn双柱手动液压机，在240mpa保压5min，脱模得到块状烧结坯料；
(2)采用真空热压烧结炉对块状烧结坯料进行真空烧结，烧结温度560℃，烧结时间2h后，随炉冷却至室温，得烧结后的坯料；
步骤3，后续热处理：
(1)对烧结后的坯料，采用电阻炉进行淬火处理，淬火温度为500℃，保温时间2h(可根据烧结零件尺寸确定)后水冷；
(2)将淬火后的坯料，进行回火处理，回火温度为180℃，保温时间2h后空冷，制得石墨烯增强的高硅铝基复合材料；其微观组织见附图1，图中深色粒状物是si颗粒，灰白色区域多为al2cu相。
实施例2
一种石墨烯增强的高硅铝基复合材料，含有成分按质量百分比为：硅：16.0％，铜：3.5％，镁：1.0％，钛：0.06％，硼：0.03％，石墨烯：0.3％，铝为余量。
上述的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，混料：
石墨烯增强的高硅铝基复合材料的成分按质量百分比计，硅16.0％，铜3.5％，镁1.0％，钛0.06％，硼0.03％，石墨烯0.3％，铝为余量。
在氩气保护下的手套隔离箱中按上述质量百分比将700目的各种原材料粉末进行配料并装入混料罐，再将混料罐装配在球磨机上，然后在三维空间运动混料球磨机中，以40r/min的转速混料30h，静置1h后，目的是防止长时间连续旋转导致混料罐温度升高，引起罐内粉末出现冷焊现象，再次重复连续旋转混料30h，静置散热至常温后从球磨机卸下，得到混合均匀的合金粉末；
步骤2，模压烧结：
(1)将混合均匀的合金粉末在氩气保护下倒入压制模具，采用0.5mn双柱手动液压机，在240mpa保压5min，脱模得到块状烧结坯料；
(2)采用真空热压烧结炉对块状烧结坯料进行真空烧结，烧结温度575℃，烧结时间1.52h后，随炉冷却至室温，得烧结后的坯料；
步骤3，后续热处理：
(1)对烧结后的坯料，采用电阻炉进行淬火处理，淬火温度为500℃，保温时间2h(可根据烧结零件尺寸确定)后水冷；
(2)将淬火后的坯料，进行回火处理，回火温度为180℃，保温时间2h后空冷，制得石墨烯增强的高硅铝基复合材料；其微观组织见附图2。
实施例3
一种石墨烯增强的高硅铝基复合材料，含有成分按质量百分比为：硅：20.0％，铜：2.0％，镁：1.0％，钛：0.07％，硼：0.04％，石墨烯：0.6％，铝为余量。
上述的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，混料：
石墨烯增强的高硅铝基复合材料的成分按质量百分比计，硅20.0％，铜2.0％，镁1.0％，钛0.07％，硼0.04％，石墨烯0.6％，铝为余量。
在氩气保护下的手套隔离箱中按上述质量百分比将700目的各种原材料粉末进行配料并装入混料罐，再将混料罐装配在球磨机上，然后在三维空间运动混料球磨机中，以40r/min的转速混料30h，静置1h后，目的是防止长时间连续旋转导致混料罐温度升高，引起罐内粉末出现冷焊现象，再次重复连续旋转混料30h，静置散热至常温后从球磨机卸下，得到混合均匀的合金粉末；
步骤2，模压烧结：
(1)将混合均匀的合金粉末在氩气保护下倒入压制模具，采用0.5mn双柱手动液压机，在240mpa保压5min，脱模得到块状烧结坯料；
(2)采用真空热压烧结炉对块状烧结坯料进行真空烧结，烧结温度565℃，烧结时间1.8h后，随炉冷却至室温，得烧结后的坯料；
步骤3，后续热处理：
(1)采用双柱手动液压机，对烧结后的坯料进行多向锻造，共进行5道次锻造，锻造温度为490℃，变形速度为3mm/s，每道次锻造均改变锻造变形方向；
(2)将锻造后的坯料，进行退火处理，退火温度200℃，退火时间2h，制得石墨烯增强的高硅铝基复合材料。其微观组织见附图3。
实施例4
一种石墨烯增强的高硅铝基复合材料，含有成分按质量百分比为：硅：19.0％，铜：2.5％，镁：1.0％，钛：0.06％，硼：0.04％，石墨烯：0.5％，铝为余量。
上述的石墨烯增强的高硅铝基复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，混料：
石墨烯增强的高硅铝基复合材料的成分按质量百分比计，硅19.0％，铜2.5％，镁1.0％，钛0.06％，硼0.04％，石墨烯0.5％，铝为余量。
在氩气保护下的手套隔离箱中按上述质量百分比将700目的各种原材料粉末进行配料并装入混料罐，再将混料罐装配在球磨机上，然后在三维空间运动混料球磨机中，以40r/min的转速混料30h，静置1h后，目的是防止长时间连续旋转导致混料罐温度升高，引起罐内粉末出现冷焊现象，再次重复连续旋转混料30h，静置散热至常温后从球磨机卸下，得到混合均匀的合金粉末；
步骤2，模压烧结：
(1)将混合均匀的合金粉末在氩气保护下倒入压制模具，采用0.5mn双柱手动液压机，在240mpa保压5min，脱模得到块状烧结坯料；
(2)采用真空热压烧结炉对块状烧结坯料进行真空烧结，烧结温度570℃，烧结时间1.5～2h后，随炉冷却至室温，得烧结后的坯料；
步骤3，后续热处理：
(1)采用双柱手动液压机，对烧结后的坯料进行多向锻造，共进行10道次锻造，锻造温度为490℃，变形速度为3mm/s，每道次锻造均改变锻造变形方向；
(2)将锻造后的坯料，进行退火处理，退火温度200℃，退火时间2h，制得石墨烯增强的高硅铝基复合材料。其微观组织见附图4。