铝基石墨烯复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及铝材料技术领域，特别是涉及一种铝基石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术：

铝及铝合金具有较高的比强度，在社会生活的各个方面均有较多的应用，铝暴露在空气中时会在表面形成一层致密的氧化层，能够给铝件提供一层较好的耐腐蚀层，但是其自身的耐摩擦性能较差。铝导线多为架空导线，在工作时，因风力等原因发生摆动，导线彼此间会发生摩擦，如果导线表面没有足够的耐磨层，会导致铝导线的寿命降低。

传统的铝镀层为通过电镀法在铝或氧化铝层表面镀锌、镀银等，用于提高铝件的耐磨性和使用寿命。但经过实践发现，采用这种传统方法制备的铝镀件，在长时间摩擦或较大强度的摩擦过程中镀层容易从铝件本体上脱落，失去镀层的防护功能。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的铝镀层耐磨性较差的技术问题，提供一种具有铝基石墨烯复合材料及其制备方法。

一种铝基石墨烯复合材料，包括铝基体和设置在所述铝基体表面的防护层，所述防护层的材料以铝为主体，并含有石墨烯、非石墨类碳、ti、cr、w、mn、ni及v，所述石墨烯在所述防护层中的质量百分数为0.2％～0.5％。

在其中一个实施例中，非石墨类碳在所述防护层中的质量百分数为1％～1.3％，w在所述防护层中的质量百分数为5％～7％。

在其中一个实施例中，ti在所述防护层中的质量百分数为4％～6％。

在其中一个实施例中，cr在所述防护层中的质量百分数为6％～10％。

在其中一个实施例中，mn在所述防护层中的质量百分数为0.5％～1.1％。

在其中一个实施例中，ni在所述防护层中的质量百分数为3％～7％。

在其中一个实施例中，v在所述防护层中的质量百分数为1％～3％。

在其中一个实施例中，所述石墨烯的片径为3μm～15μm，层数为5层以下。

一种所述的铝基石墨烯复合材料的制备方法，包括：

分别提供非石墨类碳颗粒、钛颗粒、铬颗粒、钨颗粒、锰颗粒、镍颗粒、钒颗粒、铝颗粒以及石墨烯片；

将所述非石墨类碳颗粒、所述钛颗粒、所述铬颗粒、所述钨颗粒、所述锰颗粒、所述镍颗粒、所述钒颗粒、所述铝颗粒以及所述石墨烯片混合得到混合粉体；

将所述混合粉体通过激光熔覆方式结合在所述铝基体的表面，形成所述防护层。

在其中一个实施例中，所述非石墨类碳颗粒、所述钛颗粒、所述铬颗粒、所述钨颗粒、所述锰颗粒、所述镍颗粒、所述钒颗粒及所述铝颗粒的粒径分别为5μm～30μm，球形度分别大于或等于80％；和/或，

所述石墨烯片的片径为3μm～15μm，片层数为5层以下。

在其中一个实施例中，所述非石墨类碳颗粒、所述钛颗粒、所述铬颗粒、所述钨颗粒、所述锰颗粒、所述镍颗粒、所述钒颗粒及所述铝颗粒中的氧含量分别小于800ppm；和/或，

所述石墨烯片中的氧含量为10％以下，s元素含量为0.05％以下。

在其中一个实施例中，所述激光熔覆的激光功率为500w～1000w，扫描速度为0.1m/min～0.5m/min，光斑直径为3mm～5mm，离焦量为35mm～45mm，送粉速率为0.8g/min～1.1g/min。

本发明在铝基体表面设置防护层，防护层中除具有耐磨性较强的金属和非石墨类碳，耐磨性较强的金属如铝、ti、cr、w、mn、ni和v，还具有石墨烯，石墨烯具有较大的表面积，能够很好的包裹在金属或非石墨类碳粉末表面，利用石墨烯的超高强度、硬度和二维特性，提高铝基体的耐磨性。并且，这些金属和非石墨类碳能够提高石墨烯与铝基体的结合强度，降低晶格失配性。并且，发明人发现，对于该组分的防护层材料，采用激光熔覆的方法相较于传统的电镀法，能够提高防护层与铝基体的结合牢度，从而提高防护层的耐磨性，提高铝质件的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施例的铝基石墨烯复合材料的结构示意图；

图2为本发明一实施例的铝基石墨烯复合材料的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施例提供一种铝基石墨烯复合材料，包括铝基体和设置在所述铝基体表面的防护层，所述防护层的材料以铝为主体，并含有石墨烯、非石墨类碳、ti、cr、w、mn、ni及v，所述石墨烯在所述防护层中的质量百分数为0.2％～0.5％。

本发明在铝基体表面设置防护层，防护层中除具有耐磨性较强的金属和非石墨类碳，耐磨性较强的金属如铝、ti、cr、w、mn、ni和v，还具有石墨烯，石墨烯具有较大的表面积，能够很好的包裹在金属或非石墨类碳粉末表面，利用石墨烯的超高强度、硬度和二维特性，提高铝基体的耐磨性。并且，这些金属和非石墨类碳能够提高石墨烯与铝基体的结合强度，降低晶格失配性。

在一实施例中，所述石墨烯的片径可以为3μm～15μm，层数可以为5层以下。

在一实施例中，非石墨类碳在所述防护层中的质量百分数为1％～1.3％，w在所述防护层中的质量百分数为5％～7％。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性，并且可显著提高防护层的红硬性和热强性。非石墨类碳能够提高防护层屈服点和抗拉强度，但会使得塑性和冲击性降低，会降低防护层耐大气腐蚀能力，增加冷脆性和时效敏感性。因此，需要与ti、cr、mn、ni及v复合，提高防护层的塑性和冲击性。

在一实施例中，ti在所述防护层中的质量百分数为4％～6％。钛能够增加防护层的强度、耐热、低温韧性和断裂韧性。

在一实施例中，cr在所述防护层中的质量百分数为6％～10％。铬能够增加防护层的硬度、强度、屈服点、耐磨性，并且对塑性、韧性影响又不大，具有高的抗氧化性，耐蚀性，还能提高电阻，有利于铝基石墨烯复合材料的广泛应用。

在一实施例中，mn在所述防护层中的质量百分数为0.5％～1.1％。锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，能够增加防护层的韧性、强度和硬度，提高淬性，改善热防护层材料的加工性能。

在一实施例中，ni在所述防护层中的质量百分数为3％～7％。镍能够提高防护层的强度，而又保持良好的塑性和韧性，并且，镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。

在一实施例中，v在所述防护层中的质量百分数为1％～3％。钒是优良脱氧剂，用于提高防护层的强度和韧性，在高温高压下可提高防护层的抗氢腐蚀能力。

请参阅图2，本发明实施例还提供一种所述的铝基石墨烯复合材料的制备方法，包括：

s100，分别提供非石墨类碳颗粒、钛颗粒、铬颗粒、钨颗粒、锰颗粒、镍颗粒、钒颗粒、所述铝颗粒以及石墨烯片；

s200，将所述非石墨类碳颗粒、所述钛颗粒、所述铬颗粒、所述钨颗粒、所述锰颗粒、所述镍颗粒、所述钒颗粒、所述铝颗粒以及所述石墨烯片混合得到混合粉体；以及

s300，将所述混合粉体通过激光熔覆方式结合在所述铝基体的表面，形成所述防护层。

发明人发现，对于该组分的防护层材料，采用激光熔覆的方法相较于传统的电镀法，能够提高防护层与铝基体的结合牢度，并且能够提高从而提高防护层的耐磨性，提高铝质件的使用寿命。

在步骤s100中，由于粉末状金属容易团聚，石墨烯片不容易在粉末状金属中均匀混合，通过将金属和非石墨类碳先制备为颗粒后再与石墨烯片混合，能够提高石墨烯片的分散性。

在一实施例中，非石墨类碳颗粒或金属颗粒可通过雾化方法制备得到。优选的，雾化在保护性气体，如氩气中进行，可避免在雾化过程中金属或非石墨类碳被氧化。

在一实施例中，所述非石墨类碳颗粒、所述钛颗粒、所述铬颗粒、所述钨颗粒、所述锰颗粒、所述镍颗粒、所述钒颗粒及所述铝颗粒的粒径可分别为5μm～30μm。在一实施例中，所述石墨烯片的片径可以为3μm～15μm。所述非石墨类碳颗粒、所述钛颗粒、所述铬颗粒、所述钨颗粒、所述锰颗粒、所述镍颗粒、所述钒颗粒及所述铝颗粒的粒径在该范围内可以相同或不同。

在一实施例中，所述非石墨类碳颗粒、所述钛颗粒、所述铬颗粒、所述钨颗粒、所述锰颗粒、所述镍颗粒、所述钒颗粒及所述铝颗粒的球形度可分别大于或等于80％。球形的颗粒与片状的石墨烯相互配合，可以利用尺寸效应促进石墨烯的在整体防护层混合粉体中的分散。在一实施例中，所述石墨烯片的片层数为5层以下，保证石墨烯的高机械性能能够充分发挥。

在一实施例中，所述非石墨类碳颗粒、所述钛颗粒、所述铬颗粒、所述钨颗粒、所述锰颗粒、所述镍颗粒、所述钒颗粒及所述铝颗粒中的氧含量可分别小于800ppm。在一实施例中，所述石墨烯片中的氧含量为10％以下，s元素含量为0.05％以下。

在一实施例中，所述激光熔覆的激光功率为500w～1000w，扫描速度为0.1m/min～0.5m/min，光斑直径为3mm～5mm，离焦量为35mm～45mm，送粉速率为0.8g/min～1.1g/min。在该激光熔覆条件下得到的防护层与铝基体的结合强度更高。

实施例1

防护层中各组分的质量占比为石墨烯0.3％，ti：5％，cr：8％，w：6％，mn：0.9％，ni：6％，v：2％，非石墨类c：1.2％，其余为铝。石墨烯为5层以下的少层氧化石墨烯。

(1)粉体颗粒的制备：

采用氩气雾化方法制备非石墨类碳颗粒、钛颗粒、铬颗粒、钨颗粒、锰颗粒、镍颗粒、钒颗粒及铝颗粒，纯度大于99.5％。各颗粒的球形度大于或等于80％，粒径为5～30μm，含氧量小于800ppm。

(2)基体材料为6061铝质件，在熔覆前采用磨光机去除铝质件表层的铝锈和油污，并用砂纸打磨光亮，然后分别用丙酮和酒精清洗铝质件，干燥后得到洁净表面。

(3)所用石墨烯片为氧化还原法制备的石墨烯，石墨烯片径3～15μm，片层数5层以下，氧含量10wt％以下，s元素含量0.05wt％以下。

(4)将非石墨类碳颗粒、钛颗粒、铬颗粒、钨颗粒、锰颗粒、镍颗粒、钒颗粒、铝颗粒以及石墨烯片按比例称取进行机械混合，混合均匀后干燥得到混合粉体。装入送粉器中，采用同轴送粉激光熔覆的方式，在铝质件基体表面制备防护层，得到铝基石墨烯复合材料。

激光熔覆工艺参数及过程为：

将混合粉体倒入同步送粉器，并在氩气(纯度≥99.99％，流量30l/min)保护氛围下进行激光熔覆，激光功率0.5kw，扫描速度0.4m/min，光斑直径4mm,离焦量为40mm，送粉速率0.9g/min。

对制备的铝基石墨烯复合材料进行磨损量测定。磨损量测试条件为：对磨材料为直径5mm的碳化硅陶瓷球，磨痕直径8mm，转速50r/min，载荷为50n，试验时间为3600s。磨损量测试结果如表1所示。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中各组分的质量占比为石墨烯0.2％，ti：4％，cr：6％，w：5％，mn：0.9％，ni：3％，v：1％，非石墨类c：1％，其余为铝。石墨烯为5层以下的少层氧化石墨烯。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中不含有w，因此不能形成碳化钨。

对比例2

对比例2与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中不含有非石墨类c。

对比例3

对比例3与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中不含有cr。

对比例4

对比例4与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中不含有mn。

对比例5

对比例5与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中不含有ni。

对比例6

对比例6与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中不含有v。

对比例7

对比例7与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中不含有ti。

对比例8

对比例8与实施例1基本相同，区别仅在于防护层中不含有石墨烯。

对比例9

对比例9与实施例1基本相同，区别仅在于防护层采用电镀法结合于铝基体上。

实验采用ml-100型磨料磨损试验机进行磨损性实验测试，将试样加工成5mm×5mm×2mm的块体，在5mm×5mm的面上进行测试，施加载荷10n，行程10m(5min)，磨料为600#耐水砂纸。实验开始前先对磨损面进行机械抛光，抛至5000#砂纸，至表面光滑后，进行干燥称重。待磨损完成后再次称重，两次的差值即为磨损量。

表1

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。