本发明属于石墨烯增强铝基复合材料制备技术领域，具体涉及一种三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金的制备方法。
背景技术：
因具有密度低、比强度高、耐蚀性能好、延展性优异和加工性能好等优点，铝及其合金材料在航空航天、汽车船舶和机械制造等领域大量地应用，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。但随着现代工业技术的飞速发展，普通铝合金已不能满足各领域对材料性能的要求。因此，人们开始研究铝基复合材料的制备与应用，通过在铝基体中添加颗粒、纤维等增强相来提高材料的性能。
石墨烯由于其优异的力学性能和物理性能，一经发现就成为了各个领域研究的热门材料，在众多领域内有着巨大的应用潜力。尤其是石墨烯具有优异的力学性能，是提高复合材料强度的理想增强相。同时，由于石墨烯是构建最常用的固体润滑剂—石墨的基本单元，拥有比石墨更低的摩擦系数，表现出良好的润滑性，所以也可用于耐磨减损材料及润滑剂的制备。因此，将石墨烯添加到纯铝或铝合金基体中，制备出机械强度及耐摩擦磨损性能优异的石墨烯增强铝基复合材料已经受到越来越多研究者的关注。
然而，由于石墨烯层与层之间强烈的π-π作用力和疏水作用力使得其极易团聚，并且因为铝合金基体和石墨烯之间的密度差距较大，为石墨烯的制备及其在铝合金基体中的均匀分散带来了很大困难。同时，由于石墨烯与铝合金基体之间的润湿性较差，导致两者界面结合的作用力也比较弱。因此，实现石墨烯改性的铝基复合材料的工业化制备及其商业应用仍面临巨大挑战。
放电等离子烧结具有烧结温度低、升温速率快、材料致密度高等优点，能抑制晶粒长大、细化材料晶粒，且烧结过程中产生的等离子体对颗粒表面有净化作用，可以提高界面结合强度，进而提高材料的性能。因此，采用放电等离子烧结技术制备石墨烯改性的铝基复合材料可以进一步提高材料的性能。
技术实现要素：
为解决上述石墨烯增强铝基复合材料制备技术领域存在的问题，本发明的目的在于提供一种三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金的制备方法，将铝基粉末与高纯石墨球一起加入三维振动混料机，通过三维振动混粉使铝基粉末与高纯石墨球间产生摩擦力与剪切力，对高纯石墨球进行机械剥离的同时使剥离下来的单层或少层石墨烯均匀包覆在铝基粉末上，然后对三维振动混粉后的粉体进行放电等离子体活化及致密化烧结，完成三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金的制备；制备的铝合金材料内部石墨烯相互交错连接形成连续三维网络结构，使得其机械强度大幅度提高；采用本发明提供的制备方法，简单有效地解决了目前在石墨烯制备、石墨烯在铝基粉末基体中的均匀分散以及石墨烯与基体间的界面有效结合三个方面存在的重大问题，为石墨烯增强铝基复合材料的广泛应用提供了简单有效的方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：
①称取质量为m的铝基粉末与高纯石墨球加入三维振动混粉机中，利用三维振动混粉机对铝基粉末与高纯石墨球的混合物进行三维振动混粉，通过三维振动混粉使铝基粉末与高纯石墨球间产生摩擦力与剪切力，对高纯石墨球进行机械剥离的同时使剥离下来的单层或少层石墨烯均匀包覆在铝基粉末上；铝基粉末与高纯石墨球的初始加入量之比为0.1:1～10:1，振动频率为5～20hz，混粉时间为0.5h～50h；
②混粉结束后，将高纯石墨球取出，称量高纯石墨球的质量，通过调整三维振动混粉的振动频率和混粉时间来控制高纯石墨加入量m0，其中，m和m0的定量关系按照所需包覆石墨烯层数的要求利用比表面积进行定量计算；
步骤2：
将三维振动混粉后的粉体加入到模具中，置入活化烧结炉中进行活化及致密化烧结，烧结温度为490～560℃，升温速率为20～100℃/min，烧结压力为25～40mpa，保温时间为5～30min，烧结结束即得到三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金；制备的三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金材料内部石墨烯相互交错连接形成连续三维网络结构，使得其机械强度大幅度提高。
优选地，所述铝基粉末为铝粉或各系列牌号的铝合金粉末。
优选地，所述高纯石墨加入量设计：m0＝2smn/s0，m0—高纯石墨加入量g；s—铝基粉末比表面积m2/g；m—铝基粉末加入量g；n—石墨烯包覆层数；s0—单层石墨烯比表面积m2/g。
优选地，三维振动混粉在大气中进行或在真空进行或在保护气氛下进行。
优选地，采用放电等离子体活化烧结方法对粉体进行活化及致密化烧结。
优选地，放电等离子活化烧结及致密化烧结在真空环境或在保护气氛下进行。
三维振动混粉过程中不添加任何助剂，以保持生成的石墨烯的活性，并避免剥离的单层石墨烯或少层石墨烯与包覆粉体界面间的污染。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用无助剂的三维振动混粉工艺，使铝基粉末与高纯石墨球间产生摩擦与剪切力，对高纯石墨球进行机械剥离的同时使剥离下来的单层或少层石墨烯均匀包覆在铝基粉末上，实现石墨烯在铝基粉末表面的原位生成，保持生成的石墨烯的活性，并避免单层或少层石墨烯与铝基粉末界面间的污染。解决了目前高活性石墨烯的制备、在基体中均匀分散困难的问题。
(2)利用放电等离子烧结方法对三维振动混粉后的粉体进行活化及致密化烧结，由于烧结温度低、烧结时间短，且烧结过程中产生的等离子体能起到净化颗粒表面的作用，使得制备出的三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金晶粒细小、致密度高且石墨烯与基体间结合牢固，解决了目前石墨烯与基体间的界面结合力较差的问题。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的制备方法做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
1)分别称取2024铝合金粉末25g和高纯石墨球20g备用；
2)将1)中称好的铝合金粉末和高纯石墨球置于rm-05型rockingmill三维振动混料机中进行三维振动混粉，振动频率为30hz，混粉时间为60min；
3)三维振动混粉结束后，将高纯石墨球取出称量，其质量为19.93g，加入到铝合金粉末中的高纯石墨为0.07g。
4)将三维振动混粉后的粉体取出，置于sl-sps-325s放电等离子烧结炉中进行真空烧结，真空度为3.8pa，烧结压力为25mpa，烧结温度为495℃，升温速率为50℃/min，保温时间为5min，保温结束后，炉冷至室温；
5)将冷却至室温的块体取出，即得到三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金。
实施例2
1)分别称取6061铝合金粉末25g和高纯石墨球200g备用；
2)将1)中6061铝合金粉末和高纯石墨球置于rm-05型rockingmill三维振动混料机中进行三维振动混粉，振动频率为5hz，混粉时间为90min；
3)三维振动混粉结束后，将高纯石墨球取出称量，其质量为219.88g，加入到铝合金粉末中的高纯石墨为0.12g。
4)将三维振动混粉后的粉体取出，置于sl-sps-325s放电等离子烧结炉中进行真空烧结，真空度为4.5pa，烧结压力为40mpa，烧结温度为550℃，升温速率前4min为100℃/min，后3min为50℃/min，保温时间为3min，保温结束后，炉冷至室温；
5)将冷却至室温的块体取出，即得到三维石墨烯网络结构高强耐磨铝合金。