一种石墨烯/铝合金复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体讲涉及一种石墨稀/错合金复合材料 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 由于空中悬挂跨度大，高架高压输电线除了对导线电缆的导电性有一定要求外， 对导线电缆的强度也有一定要求。目前国内外较常用的高架高压输电导线包括铜导线和铝 导线。与铝导线相比，铜导线的导电性好，强度高。但是，铜导线的成本较高，且铜属于战略 资源，而铝资源丰富，分布广泛，成本低。尽管有的地方输电线路几乎90%以上使用铝复合 材料导线，但有些地方铝复合材料导线的应用量还不到1 %。因此，为了降低成本，有必要加 大高架高压输电用铝导线电缆的开发应用。
[0003] 目前已工业应用的铝导线电缆材质包括纯铝和铝复合材料，但是二者的强度和导 电性的匹配性都较低。纯铝的导电性好，但强度较低。已有的铝复合材料在纯铝的基础上， 添加Mg、Si等合金元素制得的，制得的复合材料在提高材料强度的同时，却带来了导电性 的降低。近年来，随着高架高压输电线的悬挂跨度越来越大，对铝导线电缆的性能提出了更 高的要求。为此，开发一种强度高、导电性好的铝导线电缆就显得十分必要。
[0004] 石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，呈单层片状结构（厚度仅为几个纳 米）。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度 最高、最坚硬的纳米材料，其断裂强度高达130Gpa。（ChangguLee，XiaodingWei，Jeffrey W.Kysar，JamesHone)等人在（Science，Vol.321，issue18,July2008,385_388)上发表 了关于"单层石墨稀伸缩性及固有强度的测定"(Measurementoftheelasticproperties andintrinsicstrengthonmonolayergraphene)。更重要的是，石墨稀还是世上电导率 最高的材料（电阻率仅约l〇SQ?!!!)，约为铜的100倍。因此，利用石墨烯的高强度和良好 的导电性，并将其与纯铝或铝复合材料复合，制备成石墨烯/铝复合材料，可望用来改善铝 电缆的强度和导电性，使铝导线的力学性能和电气性能得到更好的匹配。
[0005] 基于以上讨论分析，需要提供一种制备工艺来获得石墨烯/铝复合材料，并实现 石墨烯在铝基体中的均匀分散以及石墨烯/铝的高质量界面结合。目前铝基复合材料的制 备方法主要是熔融铸造法和粉末冶金法。如果石墨烯/铝复合材料采用传统熔融铸造法制 备，由于二者密度差异大，石墨烯很难在铝液内部均匀分散，此外，二者在材料制备过程中 还有可能发生高温界面反应，生成A14C3脆性相，恶化材料性能。而采用粉末冶金法，则可使 石墨烯纳米片和铝复合材料粉末在室温下实现均匀混合，然后通过后续的压力加工来制备 石墨烯增强铝基复合块体材料，最大限度地抑制了传统熔融铸造法带来的高温界面反应。
[0006] 然而，事实证明，由于石墨烯纳米片和铝复合材料粉体（雾化）在形貌、尺寸和 密度等方面都存在着很大的差异（见表1)，导致二者在材料复合时的相容性很差，非金属 的石墨烯和金属的铝即使在粉末冶金工艺下也很难形成良好的界面结合。（BART0LUCCI SF，PARASJ，RAFIEEMA，etal.)等人在【[J].MaterialScienceandEngineering A，2011，528 :7933_7937.)】杂志上公开了石墨稀-错纳米组合物"Graphene-aluminum nanocomposites"。而对于错基复合材料来说，增强相在错基体中的分布是否均勾、增强相 是否发生团聚、界面结合是否紧密，直接决定着复合材料性能的优劣。因此，石墨烯在铝基 体中的均匀分散如何实现，以及石墨烯/铝的高质量界面结合如何获得，是制备石墨烯/铝 复合材料需要突破的关键技术。
[0007] 表1石墨烯纳米片和铝复合材料粉体的差异
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[0009] 近年来出现的低温球磨粉末冶金工艺和传统的粉末冶金法相比，在改善增强相 的分散性及界面结合方面有明显的优势。常规粉末冶金工艺采用的机械球磨只是将增强 相和基体相的粉末均匀地混合在一起，粉体间很难在球磨过程中就形成界面结合；而低温 球磨粉末冶金法则是在传统机械球磨过程中引入液氮（或液氩）等惰性低温介质，其独 特的球磨环境（低温和惰性介质）使其具有诸多优点。相关文献表明（YEJC，HEJH， SCHOENUNGJM.CryomillingforthefabricationofaparticulateB4Creinforced A1nanocomposite：PartI.Effectsofprocessconditionsonstructure[J]. MetallurgicalandMaterialsTransactionA，2006, 37A:3099_3109.)，陶瓷颗粒 / 错混 合粉体经过低温球磨，在获得纳米晶铝基体的同时，实现了陶瓷颗粒在铝中的均匀分散，还 可将陶瓷颗粒包覆在铝内部，形成高质量的界面结合。因此，可以尝试通过低温球磨技术来 实现石墨烯纳米片在铝中的均匀分布、获得高质量的石墨烯/铝界面。
[0010] 事实证明，采用低温球磨粉末冶金法不但可以实现高质量分数石墨烯（1. 0% ) 的有效添加，而且还可以大大改善石墨烯在铝中的分散性和石墨烯/铝的界面结合情况 (LIJL,XIONGYC,WANGXD,YANSJ,YANGC,HEffff,CHENJ1,WANGSQ,ZHANG XY，DAISL.Microstructureandtensilepropertiesofbulknanostructured aluminum/graphenecompositespreparedviacryomilling[J].MaterialsScienceand EngineeringA，2015,626 :400-405)。然而，采用低温球磨粉末冶金法虽可实现石墨稀在错 中的均匀分散以及石墨烯/铝的界面结合的改善，但是，该方法工艺复杂，成本较高，不适 合在低附加值领域（例如电器、电缆等）的大规模工程化应用。
[0011] 为实现石墨烯/铝复合材料的工程化应用并适应铝导线电缆产品的规模化生产， 就必须采用熔融铸造的方法。但是，如果将石墨烯不做任何处理直接加入到铝液中，则会在 最终得到的铸锭中观察到严重的缺陷（气孔、石墨烯团聚等），恶化材料性能。
【发明内容】
[0012] 为了克服现有技术的上述不足，本发明提供了一种综合粉末冶金法和熔融铸造法 的优缺点的技术方案，通过粉末冶金结合熔融铸造的方法来制备一种石墨烯改性铝导线电 缆的石墨烯/铝合金复合材料。本发明提供的技术方案中：首先，采用低温球磨技术结合热 挤压技术制备出石墨烯在铝合金基体中均匀分布且界面结合良好的"石墨烯/铝合金"复 合材料挤压棒材（或丝材），然后将其作为"石墨烯/铝合金"的中间合金，使得石墨烯可以 通过"石墨烯/铝合金"中间合金的形式加入到熔融的铝液中，最大程度地改善石墨烯在铝 合金液中的分散均匀性，从而使得石墨性改性铝合金导线电缆的工业化生产成为可能。
[0013] 采用低温球磨技术结合热挤压技术制备出石墨烯在铝合金基体中均匀分布且界 面结合良好的"石墨烯/铝合金"复合材料挤压棒材（或丝材），将其作为"石墨烯/铝合 金"的中间合金。
[0014] 本发明的目的是采用以下技术方案实现的：
[0015] 本发明提供了一种石墨烯/铝合金复合材料，其改进之处在于：所述复合材料以 错为基体，石墨稀添加量为所述石墨稀/错复合材料的4. 0~5.Owt. %。
[0016] 本发明提供的另一种石墨烯/铝合金复合材料，其改进之处在于：石墨烯添加量 为所述石墨稀/错复合材料的4. 1~5.Owt. %。
[0017] 本发明提供的再一种石墨烯/铝合金复合材料，其改进之处在于：石墨烯添加量 为所述石墨稀/错合金复合材料的4. 5~5.Owt. %。
[0018] 本发明提供的第四种石墨烯/铝复合材料，其改进之处在于：石墨烯添加量为所 述石墨稀/错合金复合材料的4. 3wt. %。
[0019] 本发明提供的第五种石墨烯/铝合金复合材料，其改进之处在于：石墨烯添加量 为所述石墨稀/错合金复合材料的4. 2wt. %。
[0020] 本发明提供的第六种石墨烯/铝合金复合材料，其改进之处在于：石墨烯添加量 为所述石墨稀/错合金复合材料的5.Owt. %。
[0021] 本发明提供的一种石墨烯/铝合金复合材料的制备方法，该方法包括如下工艺步 骤：
[0022] (1)将粒度为60~65ym的铝合金雾化粉体和石墨烯添加量为石墨烯/铝合金 复合材料量的4. 0~5.Owt. %混合体，在转速10~30r/min的"V"型混粉机中混合40~ 48h；
[0023] (2)将步骤（1)制得的混合粉体放入转速150~180r/min的VC高效混合机中混 合 25 ~30min;
[0024] (3)将所制混合粉体、磨球和硬脂酸置于搅拌式球磨机中，充入液氮，待液氮浸没 全部磨球时开始球磨，球料比为40 :