本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高导热低膨胀石墨烯/碳化硅/铝复合材料的制备方法。
背景技术：
铝基复合材料因其密度低、可热处理性好、制备工艺灵活等优点，成为当下应用最广的金属基复合材料。在这之中，碳化硅增强铝基复合材料凭借其优良的导热性、低的膨胀系数、高的比强度与比刚度、抗磨损性能等优点成为铝基复合材料的研究热点。目前常用的增强体包括碳化硅颗粒和碳化硅纤维。碳化硅纤维具有高的比强度、比模量和卓越的高温性能，碳化硅纤维的热膨胀系数小于金属，仅为2.3-4.3×10-6/℃，导热系数可达～120w/(mk)，与铝基体润湿性极好且纤维直径小，完全可以满足1500℃以上的耐高温性能的要求，碳化硅纤维增强铝基复合材料的抗拉强度高达1550mpa，抗拉模量193gpa。相反，碳化硅纤维因此尺寸小，容易缠结，产生部分团聚，不宜在基体中分散均匀，从而造成复合材料组织不均匀。
石墨烯是只有一个碳原子厚度的二维材料，结构呈碳原子以sp2杂化轨道组成的平面蜂窝状，具有超大的比表面积，高弹性模量和抗拉强度，平面热导率最高可达到～5300w/(m·k)，且具有负的热膨胀系数。石墨烯作为金属基体的增强体时，不仅可以通过晶粒细化、位错强化以及应力转移等作用使基体的应力大幅增加，而且能使基体获得良好的导热性能，从而获得高导热低膨胀的复合材料。另一方面，石墨烯的超大比表面积也使其易在基体中形成团聚体，并且与金属基体的润湿性差，界面结合力弱。三维网络石墨烯结构的多孔结构有效避免了石墨烯易团聚/难分散的缺点，同时石墨烯连通网络结构能有效提高基体的热导性能。
目前的研究主要集中在单独研究碳化硅纤维或三维石墨烯的增强效果，二者的协同增强效果鲜有报道，对于复合材料热导率的研究则更少之又少。本发明提出利用冷冻干燥的方法制备定向有序排列的碳化硅纤维及三维石墨烯作为骨架，并且通过压力熔渗制备组织致密的铝基复合材料，目的在于充分利用二者的协同作用提高铝基体的热导率。
技术实现要素：
本发明旨在充分利用三维定向有序排列碳化硅纤维及三维石墨烯的协同增强作用，通过液氮快冷及冷冻干燥制备出三维定向有序排列的碳化硅纤维及三维石墨烯骨架，预烧结之后通过压力熔渗的方法制备组织均匀且致密的高导热低膨胀的石墨烯/碳化硅/铝复合材料，其具体步骤为：
(1)配置一定浓度的碳化硅纤维/氧化石墨烯分散液(按比例)之后转移到ptpe模具中，放置于液氮表面快速冷冻，随后冷冻干燥并进行预烧结得到定向有序排列的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架；
(2)将足量铝块垂直放置于步骤(1)所获得的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架表面(垂直于定向方向)后置于石英坩埚中，在真空压力浸渗炉进行压力浸渗，得到致密的石墨烯/碳化硅/铝复合材料。
优选地，其特征是步骤(1)碳化硅纤为与氧化石墨烯的比例为1:9～3:7(v：v)。
优选地，其特征是步骤(1)中氧化石墨烯为片状结构，直径为10～50μm、厚度为2～10nm、单层率约为99％、纯度为99.8％；碳化硅纤维的直径为100～600nm，长度为50～100μm，纯度为98％。
优选地，其特征是步骤(1)中，溶液中分散溶剂选择为乙醇，甲醇，丙酮中的一种
优选地，其特征为所述的步骤(1)中，碳化硅纤维/氧化石墨烯溶液的浓度为0.5～3mg/ml。
优选地，其特征为所述的步骤(1)中，超声分散装置频率控制在10000～20000hz，超声时间0.5～1.0h，超声温度控制在20～45℃。
优选地，其特征为所述的步骤(1)中，冷冻干燥的时间为24～72h，相对真空度10pa。
优选地，其特征为所述的步骤(1)中，预烧结的参数设置为：烧结温度800～1000℃，保温时间6h。
优选地，其特征为所述的步骤(2)中，真空压力浸渗的参数设置为：预热温度为450～550℃，浸渗温度为700～900℃，浸渗保温时间为3～10min，浸渗压力为:1～5mpa，保压时间3～10min，真空度为10pa以下。
本发明方法相比现有导热碳化硅/铝复合材料的制备方法具有以下优势：
(1)垂直定向有序排列的碳化硅纤维/石墨烯骨架继承了碳化硅纤维与石墨烯二者的高强度的特点，复合材料内部三维碳化硅纤维与石墨烯构成高度多孔的互联交叉的网络结构，从而构成了更多的导热通道，且能很好的抑制基体的热膨胀；
(2)真空压力浸渗中碳化硅纤维/石墨烯骨架的多孔结构有利于金属的熔渗，制备出组织均匀且致密的复合材料。
具体实施方式：
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施案例对本发明作进一步详细描述。
实施例一
将碳化硅纤维(直径为100nm，长度为50μm)与氧化石墨烯(片径为10μm，厚度为2nm)按照1:9(v：v)的比例在乙醇溶液中超声分散1h，配置成3mg/ml的分散液，随后转移至ptpe模具中(模具尺寸16×16×3cm)，将模具放置于液氮表面10min，从顶部到底部进行定向有序冷冻，之后将样品进行冷冻干燥，干燥时间为48h，得到定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架；之后在管式炉中进行预烧结，以20℃/min的速度升温到800℃，保温6h，得到固化的定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架；将足量铝块放置于定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架(垂直于石墨烯定向方向)后置于石英坩埚中，在真空压力浸渗炉进行压力浸渗，首先对设备抽真空到5pa，后通入氩气保护试样，循环5次后，以15℃/min的速度升温到550℃进行预热15min，之后升温到800℃进行浸渗，保温8min，控制浸渗压力在5mpa，保压8min，随后冷却到室温，得到具有定向有序排列的碳化硅纤维/石墨烯/铝复合材料。经试验测定，复合材料的热导率为314w/(m·k)，热膨胀系数为6.0×10-6/k。
实施例二
将碳化硅纤维(直径为200nm，长度为50μm)与氧化石墨烯(片径为20μm，厚度为2nm)按照1:9(v：v)的比例在乙醇溶液中超声分散1h，配置成3mg/ml的分散液，随后转移至ptpe模具中(模具尺寸16×16×3cm)，将模具放置于液氮表面10min，从顶部到底部进行定向有序冷冻，之后将样品进行冷冻干燥，干燥时间为48h，得到定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架；之后在管式炉中进行预烧结，以20℃/min的速度升温到800℃，保温6h，得到固化的定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架；将足量铝块放置于定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架(垂直于石墨烯定向方向)后置于石英坩埚中，在真空压力浸渗炉进行压力浸渗，首先对设备抽真空到5pa，后通入氩气保护试样，循环5次后，以15℃/min的速度升温到550℃进行预热15min，之后升温到800℃进行浸渗，保温6h，控制浸渗压力在5mpa，保压8min，随后冷却到室温，得到具有定向有序排列的碳化硅纤维/石墨烯/铝复合材料。经试验测定，复合材料的热导率为335w/(m·k)，热膨胀系数为5.0×10-6/k。
实施例三
将碳化硅纤维(直径为100nm，长度为50μm)与氧化石墨烯(片径为10μm，厚度为2nm)按照1:9(v：v)的比例在乙醇溶液中超声分散1h，配置成10mg/ml的分散液，随后转移至ptpe模具中(模具尺寸16×16×3cm)，将模具放置于液氮表面10min，从顶部到底部进行定向有序冷冻，之后将样品进行冷冻干燥，干燥时间为48h，得到定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架；之后在管式炉中进行预烧结，以20℃/min的速度升温到800℃，保温6h，得到固化的定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架；将足量铝块放置于定向有序排列的网络结构的碳化硅纤维/三维石墨烯骨架(垂直于石墨烯定向方向)后置于石英坩埚中，在真空压力浸渗炉进行压力浸渗，首先对设备抽真空到5pa，后通入氩气保护试样，循环5次后，以15℃/min的速度升温到550℃进行预热15min，之后升温到800℃进行浸渗，保温6h，控制浸渗压力在5mpa，保压8min，随后冷却到室温，得到具有定向有序排列的碳化硅纤维/石墨烯/铝复合材料。经试验测定，复合材料的热导率为354w/(m·k)，热膨胀系数为3.0×10-6/k。