一種石墨烯/鋁合金復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法，具體講涉及一種石墨稀/錯合金復(fù)合材料 的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于空中懸掛跨度大，高架高壓輸電線除了對導(dǎo)線電纜的導(dǎo)電性有一定要求外， 對導(dǎo)線電纜的強度也有一定要求。目前國內(nèi)外較常用的高架高壓輸電導(dǎo)線包括銅導(dǎo)線和鋁 導(dǎo)線。與鋁導(dǎo)線相比，銅導(dǎo)線的導(dǎo)電性好，強度高。但是，銅導(dǎo)線的成本較高，且銅屬于戰(zhàn)略 資源，而鋁資源豐富，分布廣泛，成本低。盡管有的地方輸電線路幾乎90%以上使用鋁復(fù)合 材料導(dǎo)線，但有些地方鋁復(fù)合材料導(dǎo)線的應(yīng)用量還不到1 %。因此，為了降低成本，有必要加 大高架高壓輸電用鋁導(dǎo)線電纜的開發(fā)應(yīng)用。
[0003] 目前已工業(yè)應(yīng)用的鋁導(dǎo)線電纜材質(zhì)包括純鋁和鋁復(fù)合材料，但是二者的強度和導(dǎo) 電性的匹配性都較低。純鋁的導(dǎo)電性好，但強度較低。已有的鋁復(fù)合材料在純鋁的基礎(chǔ)上， 添加Mg、Si等合金元素制得的，制得的復(fù)合材料在提高材料強度的同時，卻帶來了導(dǎo)電性的 降低。近年來，隨著高架高壓輸電線的懸掛跨度越來越大，對鋁導(dǎo)線電纜的性能提出了更高 的要求。為此，開發(fā)一種強度高、導(dǎo)電性好的鋁導(dǎo)線電纜就顯得十分必要。
[0004] 石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維納米材料，呈單層片狀結(jié)構(gòu)（厚度僅為幾個納 米）。由于其獨特的二維蜂窩晶體結(jié)構(gòu)和極高的鍵強度，石墨烯是目前已知的世界上比強度 最高、最堅硬的納米材料，其斷裂強度高達(dá)130Gpa。（ChangguLee，XiaodingWei，Jeffrey W.Kysar，JamesHone)等人在（Science，Vol.321，issue18,July2008,385_388)上發(fā)表 了關(guān)于"單層石墨稀伸縮性及固有強度的測定"(Measurementoftheelasticproperties andintrinsicstrengthonmonolayergraphene)。更重要的是，石墨稀還是世上電導(dǎo)率 最高的材料（電阻率僅約l〇SQ?!!!)，約為銅的100倍。因此，利用石墨烯的高強度和良好 的導(dǎo)電性，并將其與純鋁或鋁復(fù)合材料復(fù)合，制備成石墨烯/鋁復(fù)合材料，可望用來改善鋁 電纜的強度和導(dǎo)電性，使鋁導(dǎo)線的力學(xué)性能和電氣性能得到更好的匹配。
[0005] 基于以上討論分析，需要提供一種制備工藝來獲得石墨烯/鋁復(fù)合材料，并實現(xiàn) 石墨烯在鋁基體中的均勻分散以及石墨烯/鋁的高質(zhì)量界面結(jié)合。目前鋁基復(fù)合材料的制 備方法主要是熔融鑄造法和粉末冶金法。如果石墨烯/鋁復(fù)合材料采用傳統(tǒng)熔融鑄造法制 備，由于二者密度差異大，石墨烯很難在鋁液內(nèi)部均勻分散，此外，二者在材料制備過程中 還有可能發(fā)生高溫界面反應(yīng)，生成A14C3脆性相，惡化材料性能。而采用粉末冶金法，則可使 石墨烯納米片和鋁復(fù)合材料粉末在室溫下實現(xiàn)均勻混合，然后通過后續(xù)的壓力加工來制備 石墨烯增強鋁基復(fù)合塊體材料，最大限度地抑制了傳統(tǒng)熔融鑄造法帶來的高溫界面反應(yīng)。
[0006] 然而，事實證明，由于石墨烯納米片和鋁復(fù)合材料粉體（霧化）在形貌、尺寸和 密度等方面都存在著很大的差異（見表1)，導(dǎo)致二者在材料復(fù)合時的相容性很差，非金屬 的石墨烯和金屬的鋁即使在粉末冶金工藝下也很難形成良好的界面結(jié)合。（BART0LUCCI SF，PARASJ，RAFIEEMA，etal.)等人在【[J].MaterialScienceandEngineering A，2011，528 :7933_7937.)】雜志上公開了石墨稀-錯納米組合物"Graphene-aluminum nanocomposites"。而對于錯基復(fù)合材料來說，增強相在錯基體中的分布是否均勾、增強相 是否發(fā)生團聚、界面結(jié)合是否緊密，直接決定著復(fù)合材料性能的優(yōu)劣。因此，石墨烯在鋁基 體中的均勻分散如何實現(xiàn)，以及石墨烯/鋁的高質(zhì)量界面結(jié)合如何獲得，是制備石墨烯/鋁 復(fù)合材料需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。
[0007] 表1石墨烯納米片和鋁復(fù)合材料粉體的差異
[0008]
[0009] 近年來出現(xiàn)的低溫球磨粉末冶金工藝和傳統(tǒng)的粉末冶金法相比，在改善增強相 的分散性及界面結(jié)合方面有明顯的優(yōu)勢。常規(guī)粉末冶金工藝采用的機械球磨只是將增強 相和基體相的粉末均勻地混合在一起，粉體間很難在球磨過程中就形成界面結(jié)合；而低溫 球磨粉末冶金法則是在傳統(tǒng)機械球磨過程中引入液氮（或液氬）等惰性低溫介質(zhì)，其獨 特的球磨環(huán)境（低溫和惰性介質(zhì)）使其具有諸多優(yōu)點。相關(guān)文獻(xiàn)表明（YEJC，HEJH， SCHOENUNGJM.CryomillingforthefabricationofaparticulateB4Creinforced A1nanocomposite：PartI.Effectsofprocessconditionsonstructure[J]. MetallurgicalandMaterialsTransactionA，2006, 37A:3099_3109.)，陶瓷顆粒 / 錯混 合粉體經(jīng)過低溫球磨，在獲得納米晶鋁基體的同時，實現(xiàn)了陶瓷顆粒在鋁中的均勻分散，還 可將陶瓷顆粒包覆在鋁內(nèi)部，形成高質(zhì)量的界面結(jié)合。因此，可以嘗試通過低溫球磨技術(shù)來 實現(xiàn)石墨烯納米片在鋁中的均勻分布、獲得高質(zhì)量的石墨烯/鋁界面。
[0010] 事實證明，采用低溫球磨粉末冶金法不但可以實現(xiàn)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯（1. 0% ) 的有效添加，而且還可以大大改善石墨烯在鋁中的分散性和石墨烯/鋁的界面結(jié)合情況 (LIJL,XIONGYC,WANGXD,YANSJ,YANGC,HEffff,CHENJ1,WANGSQ,ZHANG XY，DAISL.Microstructureandtensilepropertiesofbulknanostructured aluminum/graphenecompositespreparedviacryomilling[J].MaterialsScienceand EngineeringA，2015,626 :400-405)。然而，采用低溫球磨粉末冶金法雖可實現(xiàn)石墨稀在錯 中的均勻分散以及石墨烯/鋁的界面結(jié)合的改善，但是，該方法工藝復(fù)雜，成本較高，不適 合在低附加值領(lǐng)域（例如電器、電纜等）的大規(guī)模工程化應(yīng)用。
[0011] 為實現(xiàn)石墨烯/鋁復(fù)合材料的工程化應(yīng)用并適應(yīng)鋁導(dǎo)線電纜產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)， 就必須采用熔融鑄造的方法。但是，如果將石墨烯不做任何處理直接加入到鋁液中，則會在 最終得到的鑄錠中觀察到嚴(yán)重的缺陷（氣孔、石墨烯團聚等），惡化材料性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供了一種綜合粉末冶金法和熔融鑄造法 的優(yōu)缺點的技術(shù)方案，通過粉末冶金結(jié)合熔融鑄造的方法來制備一種石墨烯改性鋁導(dǎo)線電 纜的石墨烯/鋁合金復(fù)合材料。本發(fā)明提供的技術(shù)方案中：首先，采用低溫球磨技術(shù)結(jié)合熱 擠壓技術(shù)制備出石墨烯在鋁合金基體中均勻分布且界面結(jié)合良好的"石墨烯/鋁合金"復(fù) 合材料擠壓棒材（或絲材），然后將其作為"石墨烯/鋁合金"的中間合金，使得石墨烯可以 通過"石墨烯/鋁合金"中間合金的形式加入到熔融的鋁液中，最大程度地改善石墨烯在鋁 合金液中的分散均勻性，從而使得石墨性改性鋁合金導(dǎo)線電纜的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。
[0013] 采用低溫球磨技術(shù)結(jié)合熱擠壓技術(shù)制備出石墨烯在鋁合金基體中均勻分布且界 面結(jié)合良好的"石墨烯/鋁合金"復(fù)合材料擠壓棒材（或絲材），將其作為"石墨烯/鋁合 金"的中間合金。
[0014] 本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0015] 本發(fā)明提供了一種石墨烯/鋁合金復(fù)合材料，其改進(jìn)之處在于：所述復(fù)合材料以 錯為基體，石墨稀添加量為所述石墨稀/錯復(fù)合材料的4. 0~5.Owt. %。
[0016] 本發(fā)明提供的另一種石墨烯/鋁合金復(fù)合材料，其改進(jìn)之處在于：石墨烯添加量 為所述石墨稀/錯復(fù)合材料的4. 1~5.Owt. %。
[0017] 本發(fā)明提供的再一種石墨烯/鋁合金復(fù)合材料，其改進(jìn)之處在于：石墨烯添加量 為所述石墨稀/錯合金復(fù)合材料的4. 5~5.Owt. %。
[0018] 本發(fā)明提供的第四種石墨烯/鋁復(fù)合材料，其改進(jìn)之處在于：石墨烯添加量為所 述石墨稀/錯合金復(fù)合材料的4. 3wt. %。
[0019] 本發(fā)明提供的第五種石墨烯/鋁合金復(fù)合材料，其改進(jìn)之處在于：石墨烯添加量 為所述石墨稀/錯合金復(fù)合材料的4. 2wt. %。
[0020] 本發(fā)明提供的第六種石墨烯/鋁合金復(fù)合材料，其改進(jìn)之處在于：石墨烯添加量 為所述石墨稀/錯合金復(fù)合材料的5.Owt. %。
[0021] 本發(fā)明提供的一種石墨烯/鋁合金復(fù)合材料的制備方法，該方法包括如下工藝步 驟