一种用包覆氧化镁石墨烯增强镁基复合材料的方法
一种用包覆氧化镁石墨烯增强镁基复合材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料制备领域，特别涉及镁基复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着航空航天、机械、汽车及电子行业等高新技术领域的快速发展，对镁基复合材料的需求量急剧增加。镁基复合材料具有比强度、比刚度高、高耐磨性、高的减振性等优点，受到了前所未有的重视。而石墨稀(graphene, GN)自2004年被安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃消洛夫成功地从石墨中剥离出以来，由于其优越的物理化学性能，引起了材料研宄者们广泛的兴趣。目前将石墨烯作为增强相引入镁合金基体中，试图获得高性能镁基复合材料还处于起始阶段。与碳纳米管类似，要制备高性能石墨烯镁基复合材料同样需解决以下3个方面的问题:一是如何采取适当的方法将石墨烯均匀地分散到基体中，且与基体良好的界面结合；二是如何解决石墨烯表面活性低，与镁合金润湿性较差的难题；三是如何使石墨烯在高温烧结过程中保持完整结构。目前，解决以上三个问题，主要是通过对石墨烯进行表面改性处理来达到改善分散性的同时提高石墨烯与镁基体的界面结合强度。已有研宄报道[Kondoh K, Fukuda H, Umeda J, et al.Materials Science andEngineering: A.2010, 527 (16 - 17): 4103-4108]在碳纳米管与镁基体界面处存在纳米级氧化镁时复合材料强度更高，界面处纳米氧化镁过渡层的存在可以提高碳纳米管与基体的界面结合质量。纳米级氧化镁(magnesium oxide, MgO)与镁具有很好的晶体取向关系，能够作为镁基体的异质形核质点，细化镁合金晶粒。鉴于此，若在石墨烯表面包覆一层均匀的纳米氧化镁颗粒，则能够有效改善石墨烯在镁基体中的分散性，细化晶粒组织，并可提高石墨烯与镁基体的界面结合强度，从而有利于制备出高性能石墨烯/镁基复合材料。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用包覆氧化镁石墨烯(magnesiumoxide coated graphene, MgO-GN)增强镁基复合材料的方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的。
[0005]本发明所述的制备方法包括以下步骤。
[0006](I)将0.l_5g包覆氧化镁后的石墨烯与彡250 ml的乙醇溶液混合后超声分散l-2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯混合液。
[0007](2)将质量彡95g，粒度彡325目的AZ91镁合金粉末加入到步骤(I)所得混合液中，同时进行超声+机械搅拌l_3h后获得分散较均匀的混合浆液。
[0008](3)对步骤(2)所得混合浆液进行滤、真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为100-600MPa。
[0009](4)将步骤(3)所得冷压后的复合材料在氩气保护下，烧结2_4h，烧结温度为500 ?600。。。
[0010](5)最后将步骤(4)烧结后的复合材料在350?400°C温度下进行热挤压。
[0011](6)最后将步骤(5)挤压后的复合材料进行T6热处理。
[0012]本发明工艺成本低，安全可靠，操作简单，包覆氧化镁石墨烯在镁合金中分散均匀且与基体界面结合强度高，其晶粒细化效果明显，复合材料性能优异，适于工业化制备高性能石墨烯增强镁合金复合材料。
【附图说明】
[0013]图1为本发明所用包覆氧化镁石墨烯的SEM形貌。
[0014]图2为本发明制备的包覆氧化镁石墨烯在AZ91镁合金粉中的分散情况。其中，a为放大倍数为1500倍的显微图像；b为放大倍数为12000倍的显微图像。
[0015]图3为本发明制备的AZ91合金与AZ91/0.5wt.%MgO_GN复合材料显微组织。其中，a为AZ91合金显微组织，b为AZ91/0.5wt.%MgO_GN复合材料显微组织。
[0016]图4为本发明制备的AZ91/0.5wt.%MgO_GN复合材料断口形貌情况。
[0017]图5为图4所示断口形貌对应A区域位置的能谱分析结果。
【具体实施方式】
[0018]本发明将通过以下实施例作进一步说明。
[0019]实施例1。
[0020]首先将0.3g包覆氧化镁后的石墨烯和300ml乙醇溶液混合后搅拌30min再超声分散2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯混合液；再将99.7g粒度为325目的AZ91镁合金粉末加入混合液中超声同时机械搅拌2h后获得分散较均匀的混合浆液，经过滤并真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为200MPa ;将冷压后的复合材料在氩气保护环境，600°C高温下烧结2h;将烧结后的复合材料在400°C温度下经热挤压制得AZ91/0.3wt.%MgO-GN复合材料；最后将挤压后的复合材料进行T6热处理。对热处理后的AZ91/0.3wt.%MgO-GN复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达270_290MPa，延伸率达8.2-10.5%，硬度为81.2-90.7HV，是一种力学性能优良的复合材料。
[0021]实施例2。
[0022]首先将0.5g包覆氧化镁后的石墨烯和400ml乙醇溶液混合后搅拌30min再超声分散2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯混合液；再将99.5g粒度为325目的AZ91镁合金粉末加入混合液中超声同时机械搅拌2h后获得分散较均匀的混合浆液，经过滤并真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为200MPa ;将冷压后的复合材料在氩气保护环境，550°C高温下烧结2h;将烧结后的复合材料在400°C温度下经热挤压制得AZ91/0.5wt.%MgO-GN复合材料；最后将挤压后的复合材料进行T6热处理。对热处理后的。对AZ91/0.5wt.%MgO-GN复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达293_320MPa，延伸率达8.9-11.5%，硬度为85.2-93.5HV，是一种力学性能优异的复合材料。
[0023]实施例3。
[0024]首先将1.0g包覆氧化镁后的石墨烯和500ml乙醇溶液混合后搅拌30min再超声分散2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯混合液；再将99 g粒度为325目的AZ91镁合金粉末加入混合液中超声同时机械搅拌2h后获得分散较均匀的混合浆液，经过滤并真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为200MPa;将冷压后的复合材料在氩气保护环境，550°C高温下烧结2h;将烧结后的复合材料在400°C温度下经热挤压制得AZ91/0.5wt.%MgO-GN复合材料；最后将挤压后的复合材料进行T6热处理。对热处理后的AZ91/0.5wt.%MgO-GN复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达310_350MPa，延伸率达8.2-9.5%，硬度为85.2-98.2HV，是一种力学性能优异的复合材料。
[0025]附图1为实施例2条件下所用包覆氧化镁石墨烯SEM形貌，图中可清晰发现褶皱状石墨烯表面均匀的包覆着一层纳米级颗粒状氧化镁。说明，石墨烯表面包覆氧化镁效果较好。
[0026]附图2为实施例2条件下包覆氧化镁石墨烯在镁合金粉末中的分散情况，图2a为放大倍数1500时包覆氧化镁石墨烯与镁合金粉的分散形貌，从中可发现包覆氧化镁石墨烯分散较均匀，未发现明显的团聚，图2b为放大倍数12000倍时氧化镁包覆石墨烯与镁合金粉的分散形貌，从中可清晰的发现包覆氧化镁石墨烯贴附在镁合金粉颗粒的表面，这些说明机械搅拌+超声分散工艺能较好的将包覆氧化镁石墨烯均匀的分散到镁合金粉中。
[0027]附图3为实施例2条件下AZ91合金(图3a)与AZ91/0.5wt.%MgO_GN(图3b)复合材料显微组织。图3b中二次相明显增多，这说明，包覆氧化镁石墨烯在热处理过程中促进了二次相的析出，二次相的增多有利复合材料强度的提高；对比图3a与图3b还可发现，图3b中复合材料晶粒尺寸明显变细，说明包覆氧化镁石墨烯晶粒细化效果非常明显，能很好的起到了细晶强化作用。
[0028]图4、5为实施例2条件下AZ91/0.5wt.%MgO_GN复合材料断口形貌及能谱分析，图3中可见，裂纹处有一撕裂的片状物，结合图5中对应图4撕裂片状物A区域能谱检测发现该片状物含有C、Mg、Al和O元素且O含量较高，因此可确定该片状物为包覆氧化镁后的石墨烯。由此可见，包覆氧化镁后的石墨烯与镁合金基体中结合较紧密，使得复合材料在受载过程中能更好的起到应力转移强化作用，复合材料机械性能提高非常明显。
【主权项】
1.一种用包覆氧化镁石墨烯增强镁基复合材料的方法，其特征是包括以下步骤: (1)将0.l_5g包覆氧化镁后的石墨烯与多250 ml的乙醇溶液混合后超声分散l_2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯乙醇混合液； (2)将质量彡95g，粒度彡325目的AZ91镁合金粉末加入到步骤(I)所得混合液中，同时进行超声+机械搅拌l_3h后获得分散较均匀的混合浆液； (3)对步骤(2)所得混合浆液进行滤、真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为 100-600MPa ； (4)将步骤(3)所得冷压后的复合材料在氩气保护下，烧结2-4h，烧结温度为500?600 0C ； (5)将步骤(4)烧结后的复合材料在350?400°C温度下进行热挤压； (6)最后将步骤(5)挤压后的复合材料进行T6热处理。
【专利摘要】一种用包覆氧化镁石墨烯增强镁基复合材料的方法，包括以下步骤：将0.1-5g包覆氧化镁的石墨烯与≥250ml的乙醇溶液混合后超声1-2h得包覆氧化镁石墨烯乙醇混合液；将质量≥95g、粒度≤325目的AZ91镁合金粉末加入到混合液中，超声+机械搅拌1-3h得混合浆液；对混合浆液进行滤、真空干燥后移至模具中，室温下冷压，压力为100-600MPa；将冷压后的复合材料在氩气保护下，烧结2-4h，烧结温度为500～600℃；将烧结后的复合材料在350～400℃温度下进行热挤压；最后将挤压后的复合材料进行T6热处理。本发明工艺成本低，安全可靠，操作简单，包覆氧化镁石墨烯在镁合金中分布均匀且与基体界面结合强度高，其晶粒细化效果明显，复合材料性能优异，可工业化制备高性能石墨烯增强镁合金复合材料。
【IPC分类】C22C23/00, C22C1/05
【公开号】CN104894419
【申请号】CN201510088041
【发明人】袁秋红, 曾效舒, 刘勇
【申请人】南昌大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月26日
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料制备领域，特别涉及镁基复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着航空航天、机械、汽车及电子行业等高新技术领域的快速发展，对镁基复合材料的需求量急剧增加。镁基复合材料具有比强度、比刚度高、高耐磨性、高的减振性等优点，受到了前所未有的重视。而石墨稀(graphene, GN)自2004年被安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃消洛夫成功地从石墨中剥离出以来，由于其优越的物理化学性能，引起了材料研宄者们广泛的兴趣。目前将石墨烯作为增强相引入镁合金基体中，试图获得高性能镁基复合材料还处于起始阶段。与碳纳米管类似，要制备高性能石墨烯镁基复合材料同样需解决以下3个方面的问题:一是如何采取适当的方法将石墨烯均匀地分散到基体中，且与基体良好的界面结合；二是如何解决石墨烯表面活性低，与镁合金润湿性较差的难题；三是如何使石墨烯在高温烧结过程中保持完整结构。目前，解决以上三个问题，主要是通过对石墨烯进行表面改性处理来达到改善分散性的同时提高石墨烯与镁基体的界面结合强度。已有研宄报道[Kondoh K, Fukuda H, Umeda J, et al.Materials Science andEngineering: A.2010, 527 (16 - 17): 4103-4108]在碳纳米管与镁基体界面处存在纳米级氧化镁时复合材料强度更高，界面处纳米氧化镁过渡层的存在可以提高碳纳米管与基体的界面结合质量。纳米级氧化镁(magnesium oxide, MgO)与镁具有很好的晶体取向关系，能够作为镁基体的异质形核质点，细化镁合金晶粒。鉴于此，若在石墨烯表面包覆一层均匀的纳米氧化镁颗粒，则能够有效改善石墨烯在镁基体中的分散性，细化晶粒组织，并可提高石墨烯与镁基体的界面结合强度，从而有利于制备出高性能石墨烯/镁基复合材料。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用包覆氧化镁石墨烯(magnesiumoxide coated graphene, MgO-GN)增强镁基复合材料的方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的。
[0005]本发明所述的制备方法包括以下步骤。
[0006](I)将0.l_5g包覆氧化镁后的石墨烯与彡250 ml的乙醇溶液混合后超声分散l-2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯混合液。
[0007](2)将质量彡95g，粒度彡325目的AZ91镁合金粉末加入到步骤(I)所得混合液中，同时进行超声+机械搅拌l_3h后获得分散较均匀的混合浆液。
[0008](3)对步骤(2)所得混合浆液进行滤、真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为100-600MPa。
[0009](4)将步骤(3)所得冷压后的复合材料在氩气保护下，烧结2_4h，烧结温度为500 ?600。。。
[0010](5)最后将步骤(4)烧结后的复合材料在350?400°C温度下进行热挤压。
[0011](6)最后将步骤(5)挤压后的复合材料进行T6热处理。
[0012]本发明工艺成本低，安全可靠，操作简单，包覆氧化镁石墨烯在镁合金中分散均匀且与基体界面结合强度高，其晶粒细化效果明显，复合材料性能优异，适于工业化制备高性能石墨烯增强镁合金复合材料。
【附图说明】
[0013]图1为本发明所用包覆氧化镁石墨烯的SEM形貌。
[0014]图2为本发明制备的包覆氧化镁石墨烯在AZ91镁合金粉中的分散情况。其中，a为放大倍数为1500倍的显微图像；b为放大倍数为12000倍的显微图像。
[0015]图3为本发明制备的AZ91合金与AZ91/0.5wt.%MgO_GN复合材料显微组织。其中，a为AZ91合金显微组织，b为AZ91/0.5wt.%MgO_GN复合材料显微组织。
[0016]图4为本发明制备的AZ91/0.5wt.%MgO_GN复合材料断口形貌情况。
[0017]图5为图4所示断口形貌对应A区域位置的能谱分析结果。
【具体实施方式】
[0018]本发明将通过以下实施例作进一步说明。
[0019]实施例1。
[0020]首先将0.3g包覆氧化镁后的石墨烯和300ml乙醇溶液混合后搅拌30min再超声分散2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯混合液；再将99.7g粒度为325目的AZ91镁合金粉末加入混合液中超声同时机械搅拌2h后获得分散较均匀的混合浆液，经过滤并真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为200MPa ;将冷压后的复合材料在氩气保护环境，600°C高温下烧结2h;将烧结后的复合材料在400°C温度下经热挤压制得AZ91/0.3wt.%MgO-GN复合材料；最后将挤压后的复合材料进行T6热处理。对热处理后的AZ91/0.3wt.%MgO-GN复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达270_290MPa，延伸率达8.2-10.5%，硬度为81.2-90.7HV，是一种力学性能优良的复合材料。
[0021]实施例2。
[0022]首先将0.5g包覆氧化镁后的石墨烯和400ml乙醇溶液混合后搅拌30min再超声分散2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯混合液；再将99.5g粒度为325目的AZ91镁合金粉末加入混合液中超声同时机械搅拌2h后获得分散较均匀的混合浆液，经过滤并真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为200MPa ;将冷压后的复合材料在氩气保护环境，550°C高温下烧结2h;将烧结后的复合材料在400°C温度下经热挤压制得AZ91/0.5wt.%MgO-GN复合材料；最后将挤压后的复合材料进行T6热处理。对热处理后的。对AZ91/0.5wt.%MgO-GN复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达293_320MPa，延伸率达8.9-11.5%，硬度为85.2-93.5HV，是一种力学性能优异的复合材料。
[0023]实施例3。
[0024]首先将1.0g包覆氧化镁后的石墨烯和500ml乙醇溶液混合后搅拌30min再超声分散2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯混合液；再将99 g粒度为325目的AZ91镁合金粉末加入混合液中超声同时机械搅拌2h后获得分散较均匀的混合浆液，经过滤并真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为200MPa;将冷压后的复合材料在氩气保护环境，550°C高温下烧结2h;将烧结后的复合材料在400°C温度下经热挤压制得AZ91/0.5wt.%MgO-GN复合材料；最后将挤压后的复合材料进行T6热处理。对热处理后的AZ91/0.5wt.%MgO-GN复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达310_350MPa，延伸率达8.2-9.5%，硬度为85.2-98.2HV，是一种力学性能优异的复合材料。
[0025]附图1为实施例2条件下所用包覆氧化镁石墨烯SEM形貌，图中可清晰发现褶皱状石墨烯表面均匀的包覆着一层纳米级颗粒状氧化镁。说明，石墨烯表面包覆氧化镁效果较好。
[0026]附图2为实施例2条件下包覆氧化镁石墨烯在镁合金粉末中的分散情况，图2a为放大倍数1500时包覆氧化镁石墨烯与镁合金粉的分散形貌，从中可发现包覆氧化镁石墨烯分散较均匀，未发现明显的团聚，图2b为放大倍数12000倍时氧化镁包覆石墨烯与镁合金粉的分散形貌，从中可清晰的发现包覆氧化镁石墨烯贴附在镁合金粉颗粒的表面，这些说明机械搅拌+超声分散工艺能较好的将包覆氧化镁石墨烯均匀的分散到镁合金粉中。
[0027]附图3为实施例2条件下AZ91合金(图3a)与AZ91/0.5wt.%MgO_GN(图3b)复合材料显微组织。图3b中二次相明显增多，这说明，包覆氧化镁石墨烯在热处理过程中促进了二次相的析出，二次相的增多有利复合材料强度的提高；对比图3a与图3b还可发现，图3b中复合材料晶粒尺寸明显变细，说明包覆氧化镁石墨烯晶粒细化效果非常明显，能很好的起到了细晶强化作用。
[0028]图4、5为实施例2条件下AZ91/0.5wt.%MgO_GN复合材料断口形貌及能谱分析，图3中可见，裂纹处有一撕裂的片状物，结合图5中对应图4撕裂片状物A区域能谱检测发现该片状物含有C、Mg、Al和O元素且O含量较高，因此可确定该片状物为包覆氧化镁后的石墨烯。由此可见，包覆氧化镁后的石墨烯与镁合金基体中结合较紧密，使得复合材料在受载过程中能更好的起到应力转移强化作用，复合材料机械性能提高非常明显。
【主权项】
1.一种用包覆氧化镁石墨烯增强镁基复合材料的方法，其特征是包括以下步骤: (1)将0.l_5g包覆氧化镁后的石墨烯与多250 ml的乙醇溶液混合后超声分散l_2h得到均匀分散的包覆氧化镁石墨烯乙醇混合液； (2)将质量彡95g，粒度彡325目的AZ91镁合金粉末加入到步骤(I)所得混合液中，同时进行超声+机械搅拌l_3h后获得分散较均匀的混合浆液； (3)对步骤(2)所得混合浆液进行滤、真空干燥后转移至模具中，在室温下进行冷压，压力为 100-600MPa ； (4)将步骤(3)所得冷压后的复合材料在氩气保护下，烧结2-4h，烧结温度为500?600 0C ； (5)将步骤(4)烧结后的复合材料在350?400°C温度下进行热挤压； (6)最后将步骤(5)挤压后的复合材料进行T6热处理。
【专利摘要】一种用包覆氧化镁石墨烯增强镁基复合材料的方法，包括以下步骤：将0.1-5g包覆氧化镁的石墨烯与≥250ml的乙醇溶液混合后超声1-2h得包覆氧化镁石墨烯乙醇混合液；将质量≥95g、粒度≤325目的AZ91镁合金粉末加入到混合液中，超声+机械搅拌1-3h得混合浆液；对混合浆液进行滤、真空干燥后移至模具中，室温下冷压，压力为100-600MPa；将冷压后的复合材料在氩气保护下，烧结2-4h，烧结温度为500～600℃；将烧结后的复合材料在350～400℃温度下进行热挤压；最后将挤压后的复合材料进行T6热处理。本发明工艺成本低，安全可靠，操作简单，包覆氧化镁石墨烯在镁合金中分布均匀且与基体界面结合强度高，其晶粒细化效果明显，复合材料性能优异，可工业化制备高性能石墨烯增强镁合金复合材料。
【IPC分类】C22C23/00, C22C1/05
【公开号】CN104894419
【申请号】CN201510088041
【发明人】袁秋红, 曾效舒, 刘勇
【申请人】南昌大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月26日
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