一种高导电性能的石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高导电性能的石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法 (Graphene reinforced aluminum-based composite material with high conductivity and preparation method thereof ) 是由 段海涛 李银华 凃杰松 李健 李辛庚 樊志斌 贾丹 詹胜鹏 杨田 丁运虎 马利欣 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高导电性能的石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法,首先利用化学镀的方法在石墨烯表面化学镀铝,得到镀铝石墨烯粉；然后将铝块在坩埚炉中熔化成铝液,之后将模具加热至低于铝熔点温度；在模具中交替倒入铝液和镀铝石墨烯粉进行分层浇铸,得到由铝液凝固层和镀铝石墨烯粉层组成的三明治夹芯结构；将三明治夹芯结构挤压成长方体试块后加热至500-600℃,保温一定时间后进行锻造处理；冷至室温后,进行纵向冷变形；最后在惰性气体保护下进行退火处理,即得高导电性能的石墨烯增强铝基复合材料。本发明有效克服了石墨烯与铝基材料润湿性差的问题,将石墨烯均匀分散在铝基材料中,在保持铝基体高导电性的前提下、有效提升铝基材料的强度。(The invention discloses a graphene reinforced aluminum matrix composite material with high conductivity and a preparation method thereof, which comprises the steps of firstly, chemically plating aluminum on the surface of graphene by using a chemical plating method to obtain aluminum-plated graphene powder; then melting the aluminum block into aluminum liquid in a crucible furnace, and then heating the mold to a temperature lower than the melting point of aluminum; pouring aluminum liquid and aluminum-plated graphene powder into the mold alternately for layered casting to obtain a sandwich structure consisting of an aluminum liquid solidified layer and an aluminum-plated graphene powder layer; extruding the sandwich structure into a cuboid test block, heating to 500-600 ℃, and performing forging treatment after keeping the temperature for a certain time; after cooling to room temperature, carrying out longitudinal cold deformation; and finally, annealing under the protection of inert gas to obtain the graphene reinforced aluminum matrix composite with high conductivity. The method effectively solves the problem of poor wettability of graphene and the aluminum-based material, uniformly disperses the graphene in the aluminum-based material, and effectively improves the strength of the aluminum-based material on the premise of keeping high conductivity of the aluminum matrix.)
技术领域
本发明属于冶金行业铝合金冶炼和轧制技术领域，涉及一种提高铝材导电性、强度的制备方法，具体涉及一种石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法，重点解决铝材的导电性随强度上升逐步下降的问题。
背景技术
纯铝具有密度小，熔点低，抗腐蚀能力强，导热和导电良好等性能优点而得到重视，由其衍生的铝合金材料塑性好，可加工成各种型材，而被工业上广泛使用，使用量仅次于钢，已成为材料领域中不可或缺的合金体系。随着经济的发展、社会的进步，对铝基材料的技术期望也越来越高，例如在快速发展的电力和航空航天领域，铝基材料作为质轻的导体材料，希望在提高铝基材料强度的同时，保证其导电性维持在较高的水平，合金元素具有提升铝基体力学性能的显著功效，但其同时会导致导电性急剧下降。
自碳材成功制备以来，与碳材相关的基础研究和工程应用研究也成为近几年的研究热点。不同形态结构的碳材有其独特的机械、电学、化学及光学等方面性能，受到材料界的极大重视。石墨烯的电子迁移率超过1.5㎡/V.s，远远高过铜的0.0032㎡/V.s和铝的0.0015㎡/V.s，其在改善铝基复合材料导电性方面优势更为突出。但是石墨烯与铝基材料润湿性差，结合力弱，很难均匀分散，如何将石墨烯均匀分散到铝基体中，在保持铝基体高导电性的前提下、有效提升铝基材料的强度，是亟待解决的技术问题。
经检索：中国专利公开号为CN111101013 A公开了一种新型石墨烯铝复合材料的制备方法及石墨烯铝复合材料，其实现的方法为采用磁控溅射法在石墨烯粉体上形成铝膜，得到改性石墨烯粉体；将所述改性石墨烯粉体加入至熔融态的铝液中并进行搅拌，使所述改性石墨烯粉体均匀分散在所述铝液中，得到混合体系；以及对所述混合体系进行固化成型。此方法利用磁控溅射在粉体上包覆粉体，过程复杂繁琐，操作上存在困难，成本较高。
公开号为CN 109402442A的专利文献中提供了一种石墨烯增强铝基复合材料的压铸制备方法，其实现的方法为采用半固态压铸的方法，经熔炼、保温、电磁搅拌、压实、压铸成石墨烯增强铝基复合材料。其制备的复合材料硬度达85HB，抗拉强度达245MPa，延伸率达8％。此发明实现过程中的制备半固态铝合金铸锭中含有Si元素，Si元素会导致铝基体的导电性下降严重，因此，本发明中没有提及材料的导电性。同时，本发明中经过切削的≤1mm的铝粒尺寸较大，和石墨烯的混料对润湿性的改善作用不大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高导电性的石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法，重点解决铝合金的导电性随强度上升逐步下降的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术手段如下：
一种高导电性能的石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、原材料准备，将石墨烯、铝粉和铝块在烘干箱中烘干，去除水分；
步骤2、利用化学镀的方法在石墨烯表面化学镀铝，得到镀铝石墨烯粉；
步骤3、将铝块在坩埚炉中熔化成铝液，并通入惰性气体进行保护；
步骤4、加热成型装置至低于铝熔点温度；
步骤5、在成型装置的模具中倒入少许步骤3中得到的铝液，形成铝液凝固层，之后铺上一层步骤2得到的镀铝石墨烯粉，再倒入铝液形成铝液凝固层，再铺上一层步骤2得到的镀铝石墨烯粉，重复操作多次，直至成型模具填满，最后一层为铝液凝固层，形成由铝液凝固层和镀铝石墨烯粉层组成的三明治夹芯结构。
步骤6、利用压机将步骤5得到的三明治夹芯结构挤压成长方体试块；
步骤7、将所得长方体试块在加热炉中加热至500-600℃，并保温一定时间，进行锻造处理。
步骤8、冷至室温后，对锻造后的长方体试块进行纵向冷变形；
步骤9、对变形后的长方体试块在惰性气体保护下进行退火处理，即得高导电性能的石墨烯增强铝基复合材料。
优选的，所述步骤1中，所述铝块和铝粉的Al％≥99.6％(质量分数)。
优选的，所述步骤2中，所述石墨烯经过粗化、敏化和活化后，室温下，在铝溶液中进行化学镀铝。
优选的，所述步骤3中，坩埚炉加热温度为700-800℃。
优选的，所述步骤3中和步骤9，惰性气体为氩气或氦气。
优选的，所述步骤4中，成型装置的加热温度为250-350℃。
优选的，所述步骤5中，三明治夹芯结构中石墨烯层应大于或等于2层，每层含量依据设计总含量平均分配，但浇铸过程中每层石墨烯层厚度应小于10μm，铝液层的厚度小于3mm。
优选的，所述步骤7中，保温时间为25-35min，锻造处理的锻造方向为纵横交错。
优选的，所述步骤8中，所述长方体试块的纵向冷变形的变形量为40-60％。
优选的，所述步骤9中，所述退火处理的温度为200-300℃，在炉时间为30-60min。
本发明还提供了一种高导电性能的石墨烯增强铝基复合材料，采用上述任意一项所述的制备方法所制备。所制得石墨烯增强铝基复合材料中C％(wt％)为1.5～2.5％，其余为铝和不可避免的杂质。经过上述工艺制备的复合材料的抗拉强度达到了130MPa，导电率达到了60％IACS。
本发明中各组分及主要工艺的作用及控制的原理：
通过将石墨烯均匀弥散分布在铝基体中而起到弥散强化的作用，同时弥散分布的颗粒可作为形核质点而起到细化晶粒的效果，可强化铝基体抗拉强度而不降低其导电性。
在本发明中，对以下工艺予以控制：
之所以加入石墨烯，是因为石墨烯具有优异的力学性能(杨氏模量可达1TPa，断裂强度约130GPa，)，热学性能(导热系数约5000W/m﹒K)和电学性能(电子迁移率达15000cm2/V﹒S，电导率约108S/m)
之所以利用化学镀的方法在石墨烯表面镀铝粉，是因为依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有铝离子的溶液中，化学镀可以将铝离子还原成铝金属而沉积在石墨烯表面形成致密镀层，且具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备。另外，化学镀废液排放少，对环境污染小以及成本较低。
之所以控制成型设备的加热温度为250-350℃，是为了将液体倒入模具后凝固减缓，温降减缓，并阻止晶粒长大，为后续的挤压成型提供保障。
之所以制成三明治夹芯结构，是为了解决石墨烯和铝的润湿性差，利用强制手段进行混合，之所以控制石墨烯层大于等于2层，并控制浇铸过程中每层石墨烯层厚度小于10μm，铝液层的厚度小于3mm，是为了保证石墨烯和铝基体的充分接触，为后续的加工提供条件。
之所以将成型后的样品再次进行加热但没有熔化，是为了将石墨烯和铝基体充分扩散并不逸出；锻造的目的是石墨烯和铝的充分混合和细化晶粒。
之所以控制长方体试块纵向冷变形的变形量为40-60％，是因为纵向冷变形可以使晶粒纵向伸长，同时增加位错缺陷，在随后的退火过程中，这些缺陷可以作为原子扩散的“快速通道”而提升材料的导电率和强度，但是，变形量过大，位错密度增加，时效时不稳定，易发生回复和再结晶，所以变形量控制在40-60％。
之所以控制退火处理温度为200-300℃，是因为温度小于200℃，析出动力小，温度高于300℃，强化效果减弱，且晶粒容易长大，出现强度下降。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明利用化学镀方式，在石墨烯表面包覆铝粉，再利用三明治夹芯结构的成型方式，后续加热、锻造等的共同作用有效改善了石墨烯和铝液润湿性差的问题，保证石墨烯的均匀加入，利用石墨烯具有高的载流子迁移率和双极电场效应，减少绝缘通道的作用提高导电性；同时，结合纵向冷变形的位错强化和析出净化基体，以及后续的退火处理工艺，保持了纯铝的高导电性的性能特点，并有效提升了铝基体的抗拉强度。本发明得到的复合材料的抗拉强度达到了130MPa，导电率达到了60％IACS，得到了导电性和纯铝接近，强度较纯铝提高较多，性能更为优良的产品。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例1-5及对比例1、2的取值列表；
表2为本发明各实施例1-5及对比例1、2性能检测情况列表。
本发明各实施例按照以下步骤制备：
1)将所有的原材料在烘干箱中烘干2小时，去除水分，原材料包括石墨烯、铝粉、铝块；
2)将石墨烯经过粗化、敏化和活化后，在室温下，在铝溶液中进行化学镀铝。
3)将铝块在750-800℃进行加热至熔化，并通入氩气进行保护；
4)将成型磨具加热至300℃；
5)在模具中倒入一勺铝液，形成铝液凝固层，之后铺上一层准备好的镀铝石墨烯粉，再倒一勺铝液倒入，铝液形成铝液凝固层，再铺上一层镀铝石墨烯粉，重复多次，直至成型模具填满，最后一层为铝液凝固层，形成由5层铝液凝固层和4层镀铝石墨烯粉层组成的三明治夹芯结构。
6)在长方体磨具中利用压机进行挤压成型，得到长方体试块，空冷至室温；
7)将所得长方体试块在加热炉中加热至550℃，并保温30min，进行锻造处理，锻造处理时间10min。
8)对长方体试块进行50％纵向冷轧处理；
9)对处理后的样品切成所需大小；
10)对切块后的样品进行退火处理，温度为240℃，在炉时间为40min，空冷至室温，即得高强高导耐磨铝基复合材料。
通过选择不同的材料组分和工艺来制备本发明具有高导电性能的石墨烯增强铝基复合材料的5个实施例和一个对比例，各组分比例如表1所示。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分和工艺
表2本发明各实施例及对比例的性能结果列表
实施例
抗拉强度/MPa
导电率/％IACS
1
130
61
2
132
61
3
140
60
4
137
60
5
132
61
对比1
72
62
对比2
89
60
从表2可以看出：利用本发明制备的5个实施例的铝碳复合材料在强度答复提升的前提下，导电性和纯铝材料相当。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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