一種石墨烯/鋁合金復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種復合材料的制備方法，具體講涉及一種石墨稀/錯合金復合材料 的制備方法。
【背景技術】
[0002] 由于空中懸掛跨度大，高架高壓輸電線除了對導線電纜的導電性有一定要求外， 對導線電纜的強度也有一定要求。目前國內外較常用的高架高壓輸電導線包括銅導線和鋁 導線。與鋁導線相比，銅導線的導電性好，強度高。但是，銅導線的成本較高，且銅屬于戰略 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%以上使用鋁復合 材料導線，但有些地方鋁復合材料導線的應用量還不到1 %。因此，為了降低成本，有必要加 大高架高壓輸電用鋁導線電纜的開發應用。
[0003] 目前已工業應用的鋁導線電纜材質包括純鋁和鋁復合材料，但是二者的強度和導 電性的匹配性都較低。純鋁的導電性好，但強度較低。已有的鋁復合材料在純鋁的基礎上， 添加Mg、Si等合金元素制得的，制得的復合材料在提高材料強度的同時，卻帶來了導電性 的降低。近年來，隨著高架高壓輸電線的懸掛跨度越來越大，對鋁導線電纜的性能提出了更 高的要求。
[0004] 石墨烯是一種由碳原子構成的二維納米材料，呈單層片狀結構（厚度僅為幾個納 米）。由于其獨特的二維蜂窩晶體結構和極高的鍵強度，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130Gpa。（Changgu Lee，Xiaoding Wei，Jeffrey W.Kysar，James Hone)等人在《科學》（Science，Vol.321，issue 18, July 2008,385_388) 上發表了關于"單層石墨稀伸縮性及固有強度的測定"（Measurement of the elastic properties and intrinsic strength on monolayer graphene)〇更重要的是，石墨稀還是 世上電導率最高的材料（電阻率僅約l〇sQ?!!!)，約為銅的100倍。因此，利用石墨烯的高 強度和良好的導電性，并將其與純鋁或鋁復合材料復合，制備成石墨烯/鋁合金復合材料， 可望用來改善鋁電纜的強度和導電性，使鋁導線的力學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/鋁合金復合材料，并 實現石墨烯在鋁基體中的均勻分散以及石墨烯/鋁的高質量界面結合。目前鋁基復合材料 的制備方法主要是熔融鑄造法和粉末冶金法。如果石墨烯/鋁合金復合材料采用傳統熔融 鑄造法制備，由于二者密度差異大，石墨烯很難在鋁液內部均勻分散，此外，二者在材料制 備過程中還有可能發生高溫界面反應，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合材料粉末在室溫下實現均勻混合，然后通過后續的壓力 加工來制備石墨烯增強鋁基復合塊體材料，最大限度地抑制了傳統熔融鑄造法帶來的高溫 界面反應。
[0006] 然而，事實證明，由于石墨烯納米片和鋁復合材料粉體（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)，導致二者在材料復合時的相容性很差，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合。（BART0LUCCI SF，PARASJ，RAFIEEMA，etal.)等人在《材料科學和工程》期刊【[J].Material ScienceandEngineeringA，2011，528:7933-7937.)】上公開了石墨稀-錯納米組合物 "Graphene-aluminumnanocomposites"。而對于錯基復合材料來說，增強相在錯基體中的 分布是否均勻、增強相是否發生團聚、界面結合是否緊密，直接決定著復合材料性能的優 劣。因此，石墨烯在鋁基體中的均勻分散如何實現，以及石墨烯/鋁的高質量界面結合如何 獲得，是制備石墨烯/鋁合金復合材料需要突破的關鍵技術。
[0007] 表1石墨烯納米片和鋁復合材料粉體的差異
[0008]
[0009] 近年來出現的低溫球磨粉末冶金工藝和傳統的粉末冶金法相比，在改善增強相 的分散性及界面結合方面有明顯的優勢。常規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合；而低溫 球磨粉末冶金法則是在傳統機械球磨過程中引入液氮（或液氬）等惰性低溫介質，其獨 特的球磨環境（低溫和惰性介質）使其具有諸多優點。相關文獻表明（YEJC，HEJH， SCHOENUNGJM.CryomillingforthefabricationofaparticulateB4Creinforced Alnanocomposite：PartI.Effectsofprocessconditionsonstructure[J]. MetallurgicalandMaterialsTransactionA，2006, 37A:3099_3109.)，陶瓷顆粒 / 錯混 合粉體經過低溫球磨，在獲得納米晶鋁基體的同時，實現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部，形成高質量的界面結合。因此，可以嘗試通過低溫球磨技術來 實現石墨烯納米片在鋁中的均勻分布、獲得高質量的石墨烯/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高質量分數石墨烯（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/鋁的界面結合情況。（LI JL，XIONGYC，WANGXD，YANSJ，YANGC，HEWW，CHENJZ，WANGSQ，ZHANGXY，DAIS L.)等人在《材料科學和工程》期刊上發表了低溫研磨制得的納米結構鋁/石墨烯復合物微 觀結構和延伸性會k''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石墨稀在 鋁中的均勻分散以及石墨烯/鋁的界面結合的改善，但是，該方法工藝復雜，成本較高，不 適合在低附加值領域（例如電器、電纜等）的大規模工程化應用。
[0011] 為實現石墨烯/鋁合金復合材料的工程化應用并適應鋁導線電纜產品的規模化 生產，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重的缺陷（氣孔、石墨烯團聚等），惡化材料性能。
【發明內容】
[0012] 為了克服現有技術的上述不足，本發明提供了一種綜合粉末冶金法和熔融鑄造法 的優缺點的技術方案，通過粉末冶金結合熔融鑄造的方法來制備一種石墨烯改性鋁導線電 纜的石墨烯/鋁合金復合材料。本發明提供的技術方案中：首先，采用低溫球磨技術結合 熱擠壓技術制備出石墨烯在鋁基體中均勻分布且界面結合良好的"石墨烯/鋁"復合材料 擠壓棒材（或絲材），然后將其作為"石墨烯/鋁"的中間合金，使得石墨烯可以通過"石墨 烯/鋁"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液中的分散均勻 性，從而使得石墨性改性鋁導線電纜的工業化生產成為可能。
[0013] 采用低溫球磨技術結合熱擠壓技術制備出石墨烯在鋁合金基體中均勻分布且界 面結合良好的"石墨烯/鋁"復合材料擠壓棒材（或絲材），將其作為"石墨烯/鋁"的中間 合金。
[0014] 本發明的目的是采用以下技術方案實現的：
[0015] 本發明提供了一種石墨烯/鋁合金復合材料，其改進之處在于：所述復合材料以 錯為基體，石墨稀添加量為所述石墨稀/錯合金復合材料的0. 1~5.Owt. %。
[0016] 本發明提供的另一種石墨烯/鋁合金，其改進之處在于：石墨烯添加量為所述石 墨稀/錯合金復合材料的0. 1~3.Owt. %。
[0017] 本發明提供的再一種石墨烯/鋁合金，其改進之處在于：石墨烯添加量為所述石 墨稀/錯合金復合材料的0. 2~3.Owt. %。
[0018] 本發明提供的第四種石墨烯/鋁合金復合材料，其改進之處在于：石墨烯添加量 為所述石墨稀/錯合金復合材料的〇. 4~5.Owt. %。
[0019] 本發明提供的第五種石墨烯/鋁合金復合材料，其改進之處在于：石墨烯添加量 為所述石墨稀/錯合金復合材料的1. 〇~3.Owt. %。
[0020] 本發明提供的第六種石墨烯/鋁合金復合材料，其改進之處在于：石墨烯添加量 為所述石墨稀/錯合金復合材料的3.Owt. %。
[0021] 本發明提供的一種石墨烯/鋁合金復合材料的制備方法，該方法包括如下工藝步 驟：
[0022] (1)將粒度為30~70ym的鋁合金霧化粉體和石墨烯添加量為石墨烯/鋁合金 復合材料量的〇. 1~5.Owt. %混合體，在轉速10~30r/min的"V"型混粉機中混合24~ 48h；
[0023] (2)將步驟⑴制得的混合粉體放入轉速100~200r/min的VC高效混合機中混 合 10 ~30min;
[0024] (3)將所制混合粉體、磨球和硬脂酸置于攪拌式球磨機中，充入液氮，待液氮浸沒 全部磨球時開始球磨，球料比為30~40 : 1 ;
[0025] (4)低溫球磨2~4小時后，取出粉末并置于惰性氣體保護箱中，待其溫度恢復至 室溫后裝入內腔直徑為80~120mm，內腔高度為85~300mm的鋁復合材料包套內；
[0026] (5)于300~350°C和2. 0X10 3Pa真空度下，對包套真空除氣2~4h，除氣結束 后將包套砸癟，焊合密封；
[0027] (6)于400~500°C和100~120MPa壓力下，對密封的所述包套保壓時間2~