铝包石墨复合粉体、包含该复合粉体的铝-石墨复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铝基复合材料领域，特别涉及一种铝包石墨复合粉体、包含该复合粉体的铝-石墨复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]颗粒增强铝基复合材料由于其优良的性能和低成本受到人们的青睐，目前颗粒增强相有氧化招、碳化娃、碳化钦以及石墨等。石墨颗粒的加入能够显者提尚材料的耐磨、减摩和自润滑性能，同时大大改善材料的膨胀系数，因此该复合材料可用于制造活塞、缸套、轴瓦等耐磨件，也用作减震零件，有广阔应用前景。
[0003]目前，铝-石墨复合材料的制备方法由铝合金基体状态的不同可以分为固态法和液态法两大类。液态法制备铝-石墨复合材料时，由于石墨在铝中的溶解度小于0.05%，且石墨与铝的润湿角高达157°，在1000°C时仍大于90°石墨很难分散于铝中，又由于石墨密度小，容易在铝液中上浮，也易产生偏聚。粉末冶金是固态法制备铝基复合材料的常用方法之一，人们制备招_石墨复合材料最先使用的方法就是粉末冶金法。用粉末冶金法制备时，由于铝粉和石墨粉的比重差别，且石墨粉凝聚性强，分散性差，故混合不容易均匀，易产生偏聚;复合材料的综合机械性能会受到很大的影响。为了解决石墨与铝的润湿性较差以至于产生偏聚的问题，在制备铝石墨复合材料时需要对石墨表面进行处理，来增加两者的润湿性。
[0004]最常见的对石墨表面的处理是石墨表面化学镀铜和镀镍。公开号为CNl 676640A，由上海交通大学的张小农，顾金海，赵常利撰写的发明专利《镀铜石墨颗粒增强镁基复合材料》中指出石墨表面的化学铜涂层可以有效改善石墨和纯镁基体之间的润湿，促进烧结，从而提高最终的力学性能，但是化学镀溶液稳定性较差，溶液的维护、调整和再生都比较麻烦，生产成本较高。公开号为CN102601356A，由河南理工大学的历长云、米国发、许磊等人撰写的发明专利《一种铝包碳化硅复合颗粒及由其制备的复合材料》中也提出用粘结剂将纳米铝粉包覆在碳化硅表面，提高铝与碳化硅的润湿性，并用热压烧结方法制备出了组织致密，无碳化硅团聚现象，力学性能优异的碳化硅铝基复合材料，但是该专利直接对纳米铝包覆的碳化硅进行烧结制备复合材料，所用的纳米铝粉量较大，而纳米铝粉制备工艺较复杂，成本较高。
[0005]虽然将石墨镀铜或镀镍会增加铝与石墨之间的润湿性，使石墨在复合材料中的不均匀程度降低，但是铜或镍的加入会使复合材料中出现新的合金元素乃至新的相，而这些相又可能是我们不希望得到的，且石墨表面镀铜和镍的制备成本也比较大，对环境有污染。粉末冶金是将铝或铝合金粉末与石墨粉混合，经压实、烧结成复合材料，粉末冶金通过机械方法将石墨与铝基体粉末混合在一起，使二者分布相对较均匀，在一定程度上克服了石墨与铝润湿性差而使石墨不易加入铝基体和石墨与铝分布不均匀的问题，但粉末冶金制备工艺和设备较复杂，颗粒表面的氧化膜及材料的孔隙使复合材料力学性能较低，产品的形状和尺寸受到一定的限制。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种铝包石墨复合粉体、包含该复合粉体的铝-石墨复合材料及其制备方法，能够解决铝-石墨复合材料制备过程中石墨偏聚的问题和石墨表面化学镀铜/镍工艺的局限性问题。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0008]—种铝包石墨复合粉体，包括纳米级铝粉或铝合金粉末、石墨和粘接剂，其中:所述纳米级招粉或招合金粉末，粒度为50?10nm，为包覆材料;所述石墨，粒度为20?70μηι，为包覆核心；所述粘接剂，由环氧树脂和/或酚醛树脂+环氧稀料+乙二胺和/或NL固化剂组成;所述纳米级铝粉或铝合金粉末通过粘结剂包覆于石墨表面。
[0009]进一步地，在上述铝包石墨复合粉体中，将所述纳米级铝粉或铝合金粉末与所述石墨的总体积分数计为100%，其中所述纳米级铝粉或铝合金粉末的体积分数为60%?80%，所述石墨的体积分数为20%?40%。
[0010]进一步地，在上述铝包石墨复合粉体中，所述粘接剂以重量计的配比为环氧树脂:环氧稀料:乙二胺=7?10:10?12:1?3;或者所述粘接剂以重量计的配比为酚醛树脂:环氧稀料:NL固化剂=8?11:10?12:1?3。
[0011]进一步地，在上述招包石墨复合粉体中，所述粘结剂重量占所述纳米级招粉或招合金粉末、所述石墨和所述粘结剂总重量的5%?8%。
[0012]进一步地，在上述铝包石墨复合粉体中，所述纳米级铝合金粉末选自ZL101、ZL101A、ZL102、6061、6063。
[0013]进一步地，在上述铝包石墨复合粉体中，所述纳米级铝粉或铝合金粉末的粒度为70?90nm，所述石墨的粒度为40?60μηι。
[0014]本发明还提供了一种制备上述铝包石墨复合粉体的方法，包括如下步骤:
[0015](I)将称好的所述纳米级铝粉或铝合金粉末与所述石墨混合5?1min，得到混合粉末；
[0016](2)将所述混合粉末倒入环氧树脂和/或酚醛树脂+环氧稀料形成的均匀混合液中，混合5?1min后，再加入乙二胺和/或NL固化剂进行常温固化；
[0017](3)固化完成后继续混合25?35min，制备出铝包石墨复合粉体。
[0018]本发明还提供了一种铝-石墨复合材料，所述铝-石墨复合材料由上述铝包石墨复合粉体和微米级铝粉或铝合金粉末复合而成，将所述铝-石墨复合材料的总体积分数计为100%，其中所述微米级铝粉或铝合金粉末、和所述纳米级铝粉或铝合金粉末的体积分数为85 %?99 %，所述石墨的体积分数为I %?15 %。
[0019]本发明还提供了一种制备上述铝-石墨复合材料的方法，包括如下步骤:
[0020](I)按权利要求8所述的质量配比分别称量所需的原料，将铝包石墨复合粉体和所述微米级招粉或招合金粉末装入混料机混合30?35min;
[0021 ] (2)将步骤(I)得到的材料进行高压烧结，工艺参数为:烧结温度4500C?750 V，烧结压力3.5GPa?5.5GPa，保温保压时间40?45min，得到高压烧结的铝-石墨复合材料。
[0022]本发明还提供了另一种制备上述铝-石墨复合材料的方法，包括如下步骤:
[0023](I)按权利要求8所述的质量配比分别称量所需的原料，将铝包石墨复合粉体和所述微米级招粉或招合金粉末装入混料机混合30?35min;
[0024](2)将步骤(I)得到的材料进行热压烧结，工艺参数为:290?310°C保温25?35分钟，烧结温度500°C?5350C，烧结压力25MPa?50MPa，热压烧结时间150?210min，得到热压烧结的铝-石墨复合材料。
[0025]本发明针对铝-石墨复合材料制备过程中石墨偏聚的问题和石墨表面化学镀铜镀镍工艺的局限性问题，利用粘结剂将铝粉包覆在石墨上，石墨之间就被纳米铝粉所阻隔，在混粉过程中使石墨不易凝聚，能够均匀分布，再者，在烧结过程中，铝处于熔融状态，同种物质之间容易结合，所以石墨表面的纳米铝粉增加了铝与石墨的润湿性。铝粉愈细，包覆层就越均匀，选用纳米铝粉或铝合金粉末，可以获得更均匀，包覆效果更好的铝包石墨复合粉体。本发明采用热压和高压的方法用纳米铝包覆的石墨制备铝-石墨复合材料，铝-石墨复合材料是由铝合金基体和均匀的分布在基体中的石墨构成的，它综合了铝与石墨两者的优良特性，既有铝的比强度高、导热性好等金属特性，又有石墨的自润滑性和良好的化学稳定性，能显著提高材料的耐磨、减摩和自润滑性能，能改善材料吸振性和切削加工性能，降低膨胀系数，应用前景广阔。
【附图说明】
[0026]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中:
[0027]图1为纳米铝粉体积分数为15%时制备的铝包石墨复合粉体扫描照片；
[0028]从图1可以看出，虽然纳米铝粉在石墨上的分布均匀，但纳米铝粉含量太少，未将石墨完全包覆，包覆效果不好，会影响混粉效果，复合材料会出现石墨团聚的现象。
[0029]图2为本发明即纳米铝粉体积分数为60%时制备的铝包石墨复合粉体扫描照片；
[0030]图2中增加了纳米铝粉的含量，纳米铝粉的体积分数为60%，图中石墨几乎被纳米铝粉完全包覆，包覆效果明显好于图1。
[0031]图3为石墨体积分数为5%的高压烧结铝-石墨复合材料的金相照片；
[0032]图4为石墨体积分数为5%的热压烧结铝-石墨复合材料的扫描照片。
[0033]从图3和图4中可以看出铝基体与石墨均匀分布，且未发现有气孔存在。
【具体实施方式】
[0034]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0035]如图1至图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种铝包石墨复合粉体，包括铝粉或招合金粉末、石墨和粘接剂，其中:招粉或招合金粉末，粒度为50?10nm，为包覆材料;石墨，粒度为20?70μηι，为包覆核心；粘接剂，由环氧树脂和/或酸醛树脂+环氧稀料+乙二胺和/或NL固化剂组成。
[0036]铝包石墨复合粉体选用石墨为包覆核心，选用纳米