一种制备铝合金复合材料的方法及其铝合金与流程

本发明属于合金复合材料的技术领域，尤其涉及一种制备铝合金复合材料的方法及其铝合金。

背景技术：

铝合金材料是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铸造铝合金具有良好的铸造性能，例如，制成形状复杂的零件且不需要庞大的附加设备，能够具有节约金属、降低成本等优点，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶等工业中已大量应用。而纳米碳具有超强的模量、强度、导电性和导热性，是一种理想的铝合金的增强相，添加适量纳米碳材料能够提升铝合金的机械性能，因此，提高纳米碳在铝合金中的含量是实现性能增强的可选途径。

中国专利文献，公告号“cn108359831a”，公开了“一种石墨烯复合铝合金的制备方法”，该发明通过将石墨烯与铝合金粉在球磨中进行研磨，改善了石墨烯的润湿性，石墨烯较快地在金属溶液中达到均匀分布，所得到的石墨烯铝合金型材的热导率得到较大改善，提高了石墨烯复合铝合金材料的强度、韧性等，但是，石墨烯在研磨过程中易氧化，无疑增加产品制备的工艺复杂程度，使得工业化生产周期加长，提高制造经济成本。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备铸造铝合金复合材料的方法，克服现有技术中的方法在制备铝合金复合材料的时易出现氧化的技术问题。本发明创造有诸多有益效果，详见下文叙述。

为实现上述目的，一方面本发明提供了如下技术方案：所述制备方法包括以下步骤：

s1:纳米碳浆料中加入有机硅树脂并搅拌混合均匀，制备纳米碳复合浆料；

s2:所述纳米碳复合浆料处于真空状态进行干燥、烧结，制备纳米碳复合粉；

s3:所述纳米碳复合粉与铝粉进行混合，混合后的混合物分散于无水乙醇溶液中，制备铝箔浆料；

s4:真空环境下，干燥所述铝箔浆料过滤后的溶剂，获得铝合金复合材料。纳米碳复合粉与铝粉的混合相对于石墨烯与铝合金粉的混合，抗氧化性更高，无需单独采用抗氧化工艺对纳米碳复合粉进行存储，也无需采用附加设备防止纳米碳复合粉与铝粉在混合过程中被氧化，避免铝合金复合材料的物理性能因氧化而下降。

在一个优选或可选的实施方式中，s1中所述纳米碳浆料的制备方法包括：将石墨蠕虫或纳米碳粉体与有机溶剂混合，通过反应设备进行制备。通过石墨蠕虫或纳米碳粉体制成的纳米碳复合浆料，利用石墨蠕虫或纳米碳粉自身的化学特性，提高铝合金材料制备工艺的抗氧化性。

在一个优选或可选的实施方式中，所述石墨蠕虫或所述纳米碳粉体与所述有机溶剂的质量份数比为(1～25)份：100份。

在一个优选或可选的实施方式中，所述石墨蠕虫由可膨胀石墨加热至400～1100℃膨胀后所得；所述石墨蠕虫的比表面积大于40m²/g且膨胀倍数大于200倍。

在一个优选或可选的实施方式中，所述有机溶剂由甲基异丁酮、二甲基甲醇、三乙醇胺质量份数为(2～40)份：(5～60)份：(4～30)份。

在一个优选或可选的实施方式中，所述纳米碳浆料与所述有机硅树脂的质量份数为100份：(1～30)份；

所述有机硅树脂由正硅酸乙酯、无水乙醇、二丁基二月桂酸按照质量份数为比(1～40)份：(2～40)份：(3～30)份配制。

在一个优选或可选的实施方式中，s2中所述纳米碳复合浆料的烧结温度为200℃～700℃，时间为1h～10h。

在一个优选或可选的实施方式中，s3中所述混合物与无水乙醇溶液的质量份数为(10～40)：100；所述铝粉与所述纳米碳复合粉的质量份数为100份：(1～45)份。

在一个优选或可选的实施方式中，s3中在所述混合物中加入研磨介质进行球磨，研磨介质可降低对设备的磨损。

在一个优选或可选的实施方式中，所述铝粉和纳米碳复合粉混合的原料粉体与氧化锆珠的质量份数比(1～40)份：100份。

另一方面提供一种铝合金，使用上述部分或全部方法制备而成。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

本发明的方法在纳米碳浆料中加入有机硅树脂并搅拌混合均匀，制备纳米碳复合浆料，对纳米碳复合浆料进行物理处理制备纳米碳复合粉，纳米碳复合粉与铝粉进行混合并散于无水乙醇溶液中，无水乙醇溶的作用是纳米碳复合粉进行包覆，避免与铝粉接触时被氧化，对制备铝箔浆料，通过对将铝箔浆料过滤后的溶剂进行干燥从而获取铝合金复合材料。纳米碳复合粉与铝粉的混合相对于石墨烯与铝合金粉的混合，其抗氧化性更高，无需单独采用抗氧化工艺对纳米碳复合粉进行存储，也无需采用附加设备防止纳米碳复合粉与铝粉在混合过程中被氧化，避免铝合金复合材料的物理性能因氧化而下降，采用本发明的工艺制得的高强度铸造铝合金复合材料，具有更高的强度，也可以采用金属铸造方法制备复杂结构形状的部件，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的制备铝合金复合材料的生产工艺框架图；

图2为本发明的制备铝合金复合材料的生产工艺流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全面的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图对本发明的制备铝合金复合材料的方法做进一步详细描述：其制备方法包括以下步骤：

s1:纳米碳浆料中加入有机硅树脂并搅拌混合均匀，制备纳米碳复合浆料；

纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳浆料，例如，石墨蠕虫或纳米碳粉体与有机溶剂装入密闭冷水压力反应釜中，以剪切速度≥9000转/秒的速度进行混合、分散，如，在剪切速度≥9000转/秒的速度进行循环分散剥离，每循环一次采样一次测定平均粒径，直至平均粒径小于40μm，得到纳米碳浆料。

s2:纳米碳复合浆料进行干燥、烧结，制备纳米碳复合粉，优选纳米碳复合浆料处于真空状态进行干燥、烧结，例如，将物料置于真空负压条件下，使水的沸点降低，水在一个大气压下的沸点是100℃，在真空负压条件(优选真空度为-0.2mp)下可使水的沸点降到80℃，60℃，40℃开始蒸发，因此，提高干燥效率，降低干燥的耗时。纳米碳复合粉相对于石墨烯的抗氧化性更好，在制备复合铝合金材料时无需附加的或额外的工艺设备投入，因此，提高制造铝合金材料工艺的经济成本。

s3:纳米碳复合粉与铝粉进行混合，并分散于无水乙醇溶液中，制备铝箔浆料；优选在密闭的环境下进行溶解，防止外界的杂质进入而造成复合材料的物理性能降低，并且通过无水乙醇溶对液纳米碳复合粉进行包覆，避免在后续的工艺过程中被氧化。

例如，在密闭水冷压力反应釜内，装入无水乙醇溶液，加入铝粉和纳米碳复合粉为原料粉体，混合并球磨成为片状，制得铝箔浆料。

s4:干燥铝箔浆料过滤后的溶剂，获得铝合金复合材料。优选在真空条件下进行干燥，所得的铝合金复合材料为高强度的铝合金材料，相对于现有技术的方法具有更高的强度，也可以采用金属铸造方法制备复杂结构形状的部件，具有广阔的应用前景，其次是整个制备工艺简单，过程易于控制，易于实现工业化生产。

对纳米碳复合浆料进行物理处理制备纳米碳复合粉，纳米碳复合粉与铝粉进行混合并散于无水乙醇溶液中，制备铝箔浆料，通过对将铝箔浆料过滤后的溶剂进行干燥从而获取铝合金复合材料。纳米碳复合粉与铝粉的混合相对于石墨烯与铝合金粉的混合，抗氧化性更高，无需单独采用抗氧化工艺对纳米碳复合粉进行存储，也无需采用附加设备防止纳米碳复合粉与铝粉在混合。

作为可选的实施方式，s1中纳米碳浆料的制备方法包括：将石墨蠕虫或纳米碳粉体与有机溶剂混合，通过反应设备进行制备，优选的，石墨蠕虫或纳米碳粉体与有机溶剂的质量份数为(1～25)份：100份；

石墨蠕虫，也称为膨胀石墨(expandedgraphite，简称eg)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。eg除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外，还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性，与有机溶剂的混合提高自身的抗氧化性；

有机溶剂由甲基异丁酮、二甲基甲醇、三乙醇胺质量份数为(2～40)份：(5～60)份：(4～30)份；

纳米碳浆料与有机硅树脂的质量份数为100份：(1～30)份；

有机硅树脂由正硅酸乙酯、无水乙醇、二丁基二月桂酸按照质量份数为比(1～40)份：(2～40)份：(3～30)份配制；

s3中铝粉、纳米碳复合粉与无水乙醇溶液的质量份数为(10～40)：100；铝粉与纳米碳复合粉的质量份数为100份：(1～45)份，铝粉、纳米碳复合粉混合的原料粉体与氧化锆珠的质量份数比(1～40)份：100份。

实施例1，石墨蠕虫与有机溶剂的质量份数为10份：100份，纳米碳浆料与有机硅树脂的质量份数为100份：30份，铝粉与纳米碳复合粉的质量份数为100份：5份，优选的加入氧化锆珠

1)如图1所示，首先以膨胀倍数600倍70目可膨胀石墨为原材料，加入电加热管式炉，经700℃高温加热处理，得到高比表面积、高碳含量的石墨蠕虫，蠕虫的膨胀倍数约300倍，比表面积42m²/g。

将一定量的石墨蠕虫加入带水夹套的密闭压力反应釜，再加入所需量的有机溶剂，石墨蠕虫与有机溶剂的质量份数为10份：100份。有机溶剂优选为甲基异丁酮、二甲基甲醇、三乙醇胺质量份数为35份：55份：10份，先以速度5000rpm分散，时间100min，再进行高速分散，分散转速9000rpm，时间90min，得纳米碳浆料，采用水冷控制分散温度在25℃，平均粒径应小于40μm。

2)在密闭压力反应釜中，加入有机硅树脂，纳米碳浆料与有机硅树脂的质量份数为100份：30份，有机硅树脂正硅酸乙酯、无水乙醇、二丁基二月桂酸质量份数为35份：35份：30份，以速度200rpm缓慢搅拌，时间14h，混合均匀，制得纳米碳复合浆料，采用热水控制分散温度在85℃，打开釜底阀门，使浆料排出。

3)用托盘将纳米碳复合湿颗粒放在真空烘箱内干燥，蒸汽冷凝回收溶剂，升温至60℃，保持4h，真空状态下降至室温方可将空气回流到真空烘箱，保持2h，得到干燥的纳米碳复合颗粒。再将干燥的纳米碳复合颗粒放入烧结炉中加热，烧结温度为350℃，时间为8h，得纳米碳复合粉。

4)在密闭压力反应釜内，加入铝粉、纳米碳复合粉为原料粉体，再装入无水乙醇，原料粉体与无水乙醇溶液的质量份数为20份：100份，铝粉与纳米碳复合粉的质量份数为100份：5份，在真空状态下搅拌并球磨成铝箔浆料，铝粉的直径为30μm，研磨珠为直径为10mm的氧化锆珠，搅拌速度500rpm。

优选的在铝粉、纳米碳复合粉原料粉体中加入研磨介质，研磨介质，例如，氧化锆珠，其作用是对设备的磨损较低，氧化锆球在常温下具有高强度和高韧性的优点，还有很好的耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性，高强度的氧化锆珠是目前最理想的研磨介质，在磨矿生产中，能发挥研磨介质的功能是提高磨机效率。

铝粉、纳米碳复合粉混合原料粉体与氧化锆珠的质量份数为20份：100份，搅拌球磨的温度通过冷水冷却维持在25℃，搅拌时间8h，得比表面积5.2m²/g的铝箔浆料，真空度为-0.2mp。

5)过滤铝箔浆料，用托盘将铝箔湿颗粒放在真空烘箱内干燥，蒸汽冷凝回收溶剂，升温在60℃保持2～5h，80℃保持1～4h，100℃保持1～2h，真空状态下降至室温方可将空气回流到真空烘箱，保持2h，得到干燥的高强度铸造铝合金复合材料，真空度为-0.2mp。

实施例2，石墨蠕虫与有机溶剂的质量份数比为20份：100份，纳米碳浆料与有机硅树脂的质量份数为100份：20份，原料粉体与无水乙醇溶液的质量份数为30份：100份，铝粉与纳米碳复合粉的质量份数为100份：10份

1)采用实施例1同样的工艺设备，以膨胀倍数700倍80目可膨胀石墨为原材料，加入电加热管式炉，经800℃高温加热处理，得到高比表面积、高碳含量的石墨蠕虫，蠕虫的膨胀倍数约350倍，比表面积46m²/g。将一定量的石墨蠕虫加入带水夹套的密闭压力反应釜进行搅拌，再加入所需量的有机溶剂，石墨蠕虫与有机溶剂的质量比为20：100，有机溶剂甲基异丁酮、二甲基甲醇、三乙醇胺按照质量比25：45：30，先以速度5000rpm分散，时间100min，再进行高速分散，分散转速9000rpm，时间90min，得纳米碳浆料，采用水冷控制分散温度在25℃，平均粒径应小于40μm。

2)在密闭压力反应釜中，加入有机硅树脂，纳米碳浆料与有机硅树脂的质量份数为100份：20份，有机硅树脂正硅酸乙酯、无水乙醇、二丁基二月桂酸质量比为40：35：25，以速度300rpm缓慢搅拌，时间12h，混合均匀，制得纳米碳复合浆料，采用热水控制分散温度在85℃，打开釜底阀门，使浆料排出。

3)用托盘将纳米碳复合湿颗粒放在真空烘箱内干燥，蒸汽冷凝回收溶剂，升温至60℃，保持4h，真空状态下降至室温方可将空气回流到真空烘箱，保持2h，得到干燥的纳米碳复合颗粒。再将干燥的纳米碳复合颗粒放入烧结炉中加热，烧结温度为450℃，时间为6h，得纳米碳复合粉。

4)在密闭压力反应釜内，加入铝粉、纳米碳复合粉为原料粉体，再装入无水乙醇，原料粉体与无水乙醇溶液的质量份数为30份：100份，铝粉与纳米碳复合粉的质量份数为100份：10份，在真空状态下搅拌并球磨成铝箔浆料，铝粉的直径为30μm，研磨珠为直径10mm的氧化锆珠，氧化锆珠有足够的强度和硬度，研磨工作中不易碎裂，搅拌速度500rpm，铝粉、纳米碳复合粉原料粉体与氧化锆珠的质量比为20：100。搅拌球磨的温度通过冷水冷却维持在25℃，搅拌时间8h，得比表面积5.2m²/g的铝箔浆料，真空度为-0.2mp。

5)过滤铝箔浆料，用托盘将铝箔湿颗粒放在真空烘箱内干燥，蒸汽冷凝回收溶剂，升温在60℃保持2～5h，80℃保持1～4h，100℃保持1～2h，真空状态下降至室温方可将空气回流到真空烘箱，保持2h，得到干燥的高强度铸造铝合金复合材料，真空度为-0.2mp。

实施例3，石墨蠕虫与有机溶剂的质量份数为25份：100份，纳米碳浆料与有机硅树脂的质量比份数为100份：15份，原料粉体与无水乙醇溶液的质量份数为35份：100份，铝粉与纳米碳复合粉的质量份数为100份：15份

1)采用实施例1同样的工艺设备，以膨胀倍数800倍90目可膨胀石墨为原材料，加入电加热管式炉，经900℃高温加热处理，得到高比表面积、高碳含量的石墨蠕虫，蠕虫的膨胀倍数约400倍，比表面积48m²/g。将一定量的石墨蠕虫加入带水夹套的密闭压力反应釜进行搅拌，再加入所需量的有机溶剂，石墨蠕虫与有机溶剂的质量份数为25份：100份，有机溶剂甲基异丁酮、二甲基甲醇、三乙醇胺按照质量比30：40：30，先以速度5000rpm分散，时间100min，再进行高速分散，分散转速9000rpm，时间90min，得纳米碳浆料，采用水冷控制分散温度在25℃，平均粒径应小于40μm。

2)在密闭压力反应釜中，加入有机硅树脂，纳米碳浆料与有机硅树脂的质量比份数为100份：15份，有机硅树脂正硅酸乙酯、无水乙醇、二丁基二月桂酸质量比为30：40：30，以速度400rpm缓慢搅拌，时间8h，混合均匀，制得纳米碳复合浆料，采用热水控制分散温度在85℃，打开釜底阀门，使浆料排出。

3)用托盘将纳米碳复合湿颗粒放在真空烘箱内干燥，蒸汽冷凝回收溶剂，升温至60℃，保持4h，真空状态下降至室温方可将空气回流到真空烘箱，保持2h，得到干燥的纳米碳复合颗粒。再将干燥的纳米碳复合颗粒放入烧结炉中加热，烧结温度为550℃，时间为4h，得纳米碳复合粉。

4)在密闭压力反应釜内，加入铝粉、纳米碳碳复合粉为原料粉体，再装入无水乙醇，原料粉体与无水乙醇溶液的质量份数为35份：100份，铝粉与纳米碳复合粉的质量份数为100份：15份，在真空状态下搅拌并球磨成铝箔浆料，铝粉的直径为30μm，研磨珠为直径10mm的氧化锆珠，搅拌速度500rpm，铝粉、纳米碳复合粉原料粉体与氧化锆珠的质量份数为20份：100份。搅拌球磨的温度通过冷水冷却维持在25℃，搅拌时间8h，得比表面积5.2m²/g的铝箔浆料，真空度为-0.2mp。

5)过滤铝箔浆料，用托盘将铝箔湿颗粒放在真空烘箱内干燥，蒸汽冷凝回收溶剂，升温在60℃保持2～5h，80℃保持1～4h，100℃保持1～2h，真空状态下降至室温方可将空气回流到真空烘箱，保持2h，得到干燥的高强度铸造铝合金复合材料，真空度为-0.2mp。

实验数据对比

将选用实施例1平均粒径40微米的高强度铸造铝合金粉体，与zl101铸锭熔融态下充分混合，采用铸造成型工艺得到测试样件。

表1(见下表)，对以上3种不同实施例份数的成品进行性能测试，不同高强度铸造铝合金添加量的zl101铝合金铸造样件性能的测试结果，如下：

表1

由表1可以看出，添加本发明高强度铸造铝合金得到的铝合金复合材料相对于没有添加高强度铸造材料具有更高的力学强度的优点，且随着添加量的增加，性能得到进一步的提高。本发明的高强度铸造铝合金复合材料可以铸造成为复杂的形状，并且力学性能优良。

同理，实施例2和实施例3的高强度铸造铝合金复合材料的使用方法及性能与实施例1相当，均高于现有技术，在此，不再赘述。

以上对本发明所提供的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。