本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-碳化硅纤维增强金属复合材料的制备方法。
背景技术：
单层石墨烯的抗拉轻度可达到130gpa，杨氏模量高达1.0tpa，是人类目前已知强度最高的物质。石墨烯拥有着巨大比表面积(≈2600m2/g)的同时有着很低的密度(2.2g/cm3)，再加上它优异的力学性能，使得石墨烯非常适合用作复合材料里的强化相。但石墨烯与金属元素之间的界面润湿性差，结合力弱，分散性不好，容易发生团聚。
zanli等人（carbon95(2015)419-427）通过将gnps-cnts复合薄片混合组装增强铝基体制备出复合材料，实验表明添加1.5vol%的rgo-cnt混合物后，复合材料的拉伸强度达到415mpa，明显高于单独cnt或rgo增强的（分别为326和331mpa）。zhang等人（composites:parta105(2018)87–96）研究了碳纳米管（cnts）和碳化硅颗粒（sicp）在cnts-sicp增强铝基复合材料（amncs）中的增强作用。实验结果表明0.5vol%cnts-0.5vol%sicp/al的抗拉强度比纯al提高了94%，达到247mpa，与1.0vol%cnts/al和1.0vol%sicp/al相比，抗拉强度提高了14%和56%。但是这两项研究也只是将两种增强相混合后同时添加，造成其在与金属基体复合的过程中团聚，复合材料组织不均匀，其综合力学性能反而下降了。
碳化硅纳米纤维晶体内化学杂质少，无晶粒边界，晶体结构缺陷少，结晶相成分均一。虽然重量轻（密度为3.045g/cm3）但具有高强度（抗拉强度为3400mpa）、高硬度、高弹性模量（4.9×104kg/cm2）、耐磨损、耐腐蚀、热化学稳定性等优异的力学性能，并且具有强的抗高温氧化能力，可以在1200k的高温下正常工作。碳化硅纳米纤维与金属、树脂和陶瓷基体有很好的相容性，可以作为塑料、金属、陶瓷等复合材料的增强相，特别是在力学性能及复合材料增强方面。可被广泛应用于机械、化工、国防、能源等领域。
石墨烯和碳化硅纳米纤维的结构相近，石墨烯与碳化硅纳米纤维的复合能够很好改善石墨烯与金属基体的界面结合状态。在石墨烯上生长碳化硅纳米纤维可以使复合材料的层间剪切强度提高。目前的研究集中于单独利用碳化硅纳米纤维或石墨烯作为金属基体的增强相，还没有实验者研究二者的协同增强作用。
技术实现要素：
本发明提供了一种高强度、高韧性的致密的石墨烯-碳化硅纳米纤维协同增强金属复合材料的制备方法。本发明采用化学气相沉积在石墨烯表面生长碳化硅纳米纤维，并进一步通过放电等离子烧结与金属粉末复合制备石墨烯-碳化硅纳米纤维协同增强金属复合材料，实现增加强度的同时保持基体良好韧性的目的。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯-碳化硅纤维增强金属复合材料的制备方法，具体步骤包括：
（1）将石墨烯粉末在饱和催化剂溶液中超声一段时间，干燥后放入事先铺有硅粉的氧化铝舟中，进行化学气相沉积，得到石墨烯-碳化硅纳米纤维复合粉体；
（2）将步骤（1）中得到的复合粉体与金属粉末在水/乙醇溶液中高速剪切混合后，放置于液氮中快速冷冻，随后冷冻干燥得到石墨烯-碳化硅纳米纤维/金属复合粉体。
（3）将步骤（2）中的复合粉体经放电等离子烧结得到致密的石墨烯-碳化硅/金属复合材料。
优选地，步骤（1）中石墨烯为片状结构，直径为10~50μｍ、厚度为2~10nm、纯度为99.8%。
优选地，步骤（1）中催化剂为co(no3)2，fe(no)3，ni(no)3中的一种。
优选地，步骤（1）中超声时间为5~10min。
优选地，步骤（2）中硅粉为粒径10~30μｍ，纯度99.99%。
优选地，步骤（2）中化学气相沉积加热前，将炉管抽到0.1pa，并用高纯度氩气冲洗两次以去除水分和氧气。化学气相沉积的相关参数为：氩气气体流量：50~100sccm，升温速率：10~25℃/min，沉积温度：1400℃~1600℃，沉积时间：6h。
优选地，步骤（3）中复合粉体的体积分数为0.5~3vol%；金属粉末为铝、铜、镍及其合金粉末中的一至多种。
优选地，步骤（3）中水与乙醇的比例为其1:9~3:7v/v；高速剪切的转速为5000~20000rpm，混合时间为1~3h；冷冻干燥的时间为24~72h，相对真空度10pa。
优选地，步骤（4）中放电等离子烧结参数为：烧结温度为500~800℃，烧结压力为30~50mpa，烧结时间为5~10min。
在石墨烯上气相生长碳化硅纳米纤维，纤维分叉多，与母体石墨烯能一起形成网络结构，不仅在三维方向上有增强作用，而且用这种纳米纤维增强的复合材料，容易使裂纹分叉或偏转，提供多种通道延缓裂纹扩展，提高了复合材料的强度同时，保持了良好的韧性。
具体实施方式
为了使本发明的优点和目的更加的清晰，结合以下实施例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明。本发明不受以下公开的具体实施的限制。
实施例一
将石墨烯粉末（片径：20μm，厚度：2nm）在饱和fe(no)3溶液中超声5min，干燥后放入铺有10g硅粉（10μm）的氧化铝舟中，在氩气气氛下生长沉积碳化硅纳米纤维，cvd参数：气体流量为100sccm，升温速率为5℃/min，沉积温度为1500℃，沉积时间为6h，得到石墨烯-碳化硅纳米纤维复合粉体；将复合粉体先分散在水/酒精溶液（v:v=1:9）溶液中，之后将2μm铝粉（复合粉体为1vol%）加入溶液中高速剪切混合（转速:10000rpm，时间:1h），得到石墨烯-碳化硅纳米纤维/铝混合分散液。将混合分散液迅速放置于液氮中冷冻形成固体后冷冻干燥（时间为48h），得到石墨烯-碳化硅纳米纤维/铝复合粉末，然后进行放电等离子烧结（温度为600℃，压力为50mpa，时间为8min），得到块体石墨烯-碳化硅纳米纤维/铝复合材料。拉伸实验测试表明复合材料的抗拉强度可达450mpa，伸长率为31%。
实施例二
将石墨烯粉末（片径：20μm，厚度：2nm）在饱和fe(no)3溶液中超声5min，干燥后放入铺有10g硅粉（10μm）的氧化铝舟中，在氩气气氛下生长沉积碳化硅纳米纤维，cvd参数：气体流量为100sccm，升温速率为5℃/min，沉积温度为1500℃，沉积时间为6h，得到石墨烯-碳化硅纳米纤维复合粉体；将复合粉体先分散在水/酒精溶液（v:v=1:9）溶液中，之后将5μm球形铜粉（复合粉体为1vol%）加入溶液中高速剪切混合（转速:10000rpm，时间:1h），得到石墨烯-碳化硅纳米纤维/铜混合分散液。将混合分散液迅速放置于液氮中冷冻形成固体后冷冻干燥（时间为48h），得到石墨烯-碳化硅纳米纤维/铜复合粉末，然后进行放电等离子烧结（温度为700℃，压力为50mpa，时间为8min），得到块体石墨烯-碳化硅纳米纤维/铜复合材料。拉伸实验测试表明复合材料的抗拉强度可达401mpa，伸长率为25%。
实施例三
将石墨烯粉末（片径：20μm，厚度：2nm）在饱和fe(no)3溶液中超声5min，干燥后放入铺有10g硅粉（10μm）的氧化铝舟中，在氩气气氛下生长沉积碳化硅纳米纤维，cvd参数：气体流量为100sccm，升温速率为5℃/min，沉积温度为1500℃，沉积时间为6h，得到石墨烯-碳化硅纳米纤维复合粉体；将复合粉体先分散在水/酒精溶液（v:v=1:9）溶液中，之后将1μm镍粉（复合粉体为1vol%）加入溶液中高速剪切混合（转速:10000rpm，时间:1h），得到石墨烯-碳化硅纳米纤维/镍混合分散液。将混合分散液迅速放置于液氮中冷冻形成固体后冷冻干燥（时间为48h），得到石墨烯-碳化硅纳米纤维/镍复合粉末，然后进行放电等离子烧结（温度为550℃，压力为50mpa，时间为8min），得到块体石墨烯-碳化硅纳米纤维/镍复合材料。拉伸实验测试表明复合材料的抗拉强度可达865mpa，伸长率为30%。
以上实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。