累积叠轧工艺制备烯合金的方法及其烯合金与流程

本发明涉及一种将石墨烯作为第二相材料进入金属内部的合金及其制备方法，尤其涉及一种累积叠轧工艺的合金制备方法。

背景技术：

随着全球工业化的进展，高强度有色金属材料的需求日益壮大；从节约能源方面来看，工业金属轻量化是一个趋势；从节约金属矿产资源来看，利用地球上储量巨大的碳材料来增强有色金属将是一个巨大突破。由于铝、铜、镁、镍等不是碳化物形成元素(材料学定义)，碳原子在这些元素中固溶度很低，传统碳材料无法单独作为增强材料。这些金属的增强通常是依靠1)合金化得到高强度金属间化合物，这导致加工成型过程要添加多道热处理工序，金属、稀土等资源消耗量巨大，增强效果接近上限且工艺技术难度越来越大，产品综合性能约束(例如强度上升的同时塑性、导热、导电性下降等)导致应用环境有限制；2)外加硬质颗粒或纤维，例如碳纤维和碳纳米管增强铝基合金近年已经得到巨大发展和应用，但熔炼铸造难度或粉末冶金成本一直很大，同时受限于材料性能和结构要求，只能做某些复合材料产品和工艺应用。例如：碳纤维增强铝合金基本只能一次性浇铸成型，后续切削加工和塑性加工极为困难；碳化硅或氧化铝颗粒增强铝合金，在碳化硅或氧化铝添加量少时性能提高有限，量大时不能采用普通浇铸工艺，只能用喷射成形工艺，能耗、物耗都很大和生产周期长。整体材料的利用率70％左右。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格，只有一个碳原子厚度的二维材料。理论上拥有杨氏模量(1tpa)，高的断裂强度(125gpa)，超高导热系数(5000w·m^-1·k^-1)和电子迁移率(200000cm2·v^-1·s^-1)，是目前已知强度最大的材料。如果能把碳以石墨烯的形式加入这四种有色金属中进行增强，将实现更强更轻的合金，更低廉的社会成本。但是，按照石墨烯上述严格概念，石墨烯为单层二维纳米材料，获得这样的材料成本过高，且很难保证纯度。常州第六元素材料科技股份有限公司通过不同的石墨烯制备工艺及工艺参数的调整，可以得到可控的不同层数范围的石墨烯，本公开中的石墨烯的概念，是上述严格概念的石墨烯单层或多层。另外，常州第六元素材料科技股份有限公司通过不同的制备工艺，可以得到可控的不同还原程度的石墨烯，即为上述严格概念的石墨烯上带有不同程度的氧原子和氢原子，这在本公开的专利申请文件中也是允许的。

迄今为止，在把石墨烯添加到铝、铜等有色金属中并没有取得金属行业认可的成果。大多数是粉末冶金技术路线做石墨烯-铝复合材料，即将铝粉等金属粉末和石墨烯粉末高速球磨混合/液体中搅拌吸附，然后压制成型再烧结为整体块材。据报道强度提高了30～120mpa不等，但因为没有报道石墨烯在复材内部的分布信息，而且此类工艺中的形变强化或细晶强化等也能达到同样指标；同期有报道粉末冶金的球磨混粉过程有碳化铝生成，在随后的工艺过程中碳化铝会和空气中的水反应生成甲烷和氧化铝，即石墨烯在粉末冶金过程中将大量损耗；理论上高速球磨时的粉末微观条件也会促进碳-铝反应，所以到目前为止，粉末冶金烯铝合金没有任何权威的应用的报道。

粉末冶金制备石墨烯增强铝基合金有如下缺点：1)粉末表面吸附气体在之后的工艺中不能完全消除，产品考核指标中有孔隙率一项，产品的抗拉强度有限，不能制备工业大件；2)粉末冶金工艺的工序多，生产周期长；3)目前报道的石墨烯-铝复合材料仍处于探索阶段，没有得到工业领域的认可；4)铝粉是火箭燃料，为管制物品。

现有技术中所列明的技术内容仅代表发明人所掌握的技术，并不理所当然被认为是现有技术而用于评价本发明的新颖性和创造性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种累积叠轧工艺制备烯合金的方法；

本发明的另一目的是提供一种采用上述方法制得的烯合金。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

提供多个金属板；

将石墨烯施加到金属板表面；

叠合金属板，形成多板结构件；

对所述多板结构件施以第一道次冷轧；

将第一道次冷轧后的结构件扩散退火，切断；

切断的结构件叠加，形成叠层结构件；

对所述叠层结构件进行第二道次冷轧，扩散退火；和

继续重复n次切断、叠加、冷轧、扩散退火的工序，n为大于等于零的整数。

根据本发明的一个方面，所述重复n次至烯合金中石墨烯片的片间距小

于80微米。

根据本发明的一个方面，所述重复次数n符合下列公式：

当提供多个金属板的个数为2时，n≥log2^h+3，其中，h是所述原始金属板的厚度，单位为mm；

当提供多个金属板的个数为3时，n≥log3^h+1，其中，h是所述原始金属板的厚度，单位为mm；

当提供多个金属板的个数为m时，n≥logm^h，其中，h是所述原始金属板的厚度，单位为mm；m为大于等于4的整数。

本发明中，使用的石墨烯浆料中的石墨烯片的长和宽是微米级；最终得到的烯合金中石墨烯片和片之间的距离是微米级，此时，石墨烯分散程度高且均匀。h厚度是毫米级(施加的石墨烯的厚度h小可忽略)，h来自原始金属板材的厚度，h决定了轧制次数，h越大，轧制次数越多。

根据本发明的一个方面，所述扩散退火的退火温度为0.5tm±0.1tm，其中tm为金属板的熔点，可查阅该金属板牌号的国标获得。

根据本发明的一个方面，所述多个金属板的厚度相当。

根据本发明的一个方面，所述将石墨烯施加到金属板表面的执行方法为：将石墨烯浆料喷涂到所述金属板表面并烘干；优选地，涂覆到金属板表面的石墨烯浆料烘干后涂层中石墨烯的面密度≤0.8mg/cm²；优选地，所述石墨烯浆料为石墨烯在易挥发溶剂中分散后得到浆料。

根据本发明的一个方面，所述将石墨烯施加到金属板表面的执行方法为：用石墨烯-钨铬盐电镀液混合搅拌制备石墨烯复合电镀液，电刷镀石墨烯到所述金属板表面并清洗烘干；优选地，涂覆到金属板表面的石墨烯复合电镀液烘干后涂层中石墨烯的面密度≤0.8mg/cm²。

根据本发明的一个方面，所述将石墨烯施加到金属板表面之前事先对金属板表面进行表面处理，优选地，所述表面处理采用磨削、碱洗、酸洗、擦洗中的一个或多；优选地，所述表面处理使金属表面粗糙度为ra10±6μm。

根据本发明的一个方面，所述将第一道次冷轧后的结构件切断中，根据提供的金属板的个数选择切断相同段数，各段长度相等。

根据本发明的一个方面，所述切断的结构件在叠加之前，叠层之间的金属板表面施加石墨烯；优选地，所述施加石墨烯次数c≤n+1。

根据本发明的一个方面，所述叠层之间的金属板表面施加石墨烯按照如下方法执行：

对处于叠层位置的金属板表面涂覆石墨烯浆料或电刷镀石墨烯复合电镀液、烘干，施加到金属板表面的石墨烯浆料烘干后或电刷镀到金属板表面的石墨烯复合电镀液烘干后涂层中石墨烯的面密度≤0.8mg/cm²；经研究得到，在执行上述工序时，金属板表面涂层中石墨烯的面密度≤0.8mg/cm²。如果面密度过大，无法将两板焊合，面密度过小，所得烯合金材料中的石墨烯含量小。经本发明发明人深入反复对比研究，控制面密度≤0.8mg/cm²即可，如果为了得到石墨烯含量高的烯合金材料，可控制面密度为0.6mg/cm²、0.7mg/cm²等接近上限的值。所述石墨烯浆料为石墨烯在易挥发性溶剂(如乙醇、丙酮、水等)中分散后得到浆料。

根据本发明的一个方面，在施加石墨烯之前先对所要施加石墨烯的金属板表面进行表面处理。对金属板表面进行处理可以去除杂质氧化皮；还可以调整金属板表面的粗糙度，更有利于石墨烯与金属板表面的良好接触。

根据本发明的一个方面，所述冷扎均在室温下进行，下压量为40-80％。

根据本发明的一个方面，当提供多个金属板的个数为2时，所述冷扎下压量均为40-70％，优选50％；当提供多个金属板的个数为3时，所述冷扎下压量均为50-80％，优选66.6％。

根据本发明的一个方面，所述金属板采用铝板、铜板、镁板、镍板或铝合金板，优选铝板。

在本发明的另一方面，提供一种烯合金，包括石墨烯、金属，所述石墨烯和金属之间为冷焊结合，所述烯合金中所含石墨烯的量为0.1wt‰-3wt％，优选3wt‰。

根据本发明的一个方面，所述烯合金是按照上述方法制备而成。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的制备烯合金的方法的流程图；

图2是根据本发明的将石墨烯施加到金属板表面之后形成的金属板/石墨烯/金属板结构件拆解结构示意图；

图3是根据本发明的将石墨烯施加到金属板表面之后形成的金属板/石墨烯/金属板结构件的示意图；

图4是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板结构件第一道次冷轧过程的示意图；

图5是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板结构件第一道次冷轧后形成的复合材料示意图；

图6是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板结构件第一道次冷轧后复合金属板切断叠加过程示意图；

图7是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板结构件第一道次冷轧后复合金属板切断叠加过程后形成的结构件示意图；

图8是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板结构件第二道次冷轧过程的示意图；

图9是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板结构件第二道次冷轧过程后形成的复合材料示意图；

图10是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板结构件第三道次冷轧过程后形成的合金材料示意图；

图11是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板结构件第n道次冷轧过程后形成的合金材料示意图；

图12是根据本发明的将石墨烯施加到金属板表面之后形成的金属板/石墨烯/金属板/石墨烯/金属板结构件的示意图；

图13是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板/石墨烯/金属板结构件第一道次冷轧过程的示意图；

图14是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板/石墨烯/金属板结构件第一道次冷轧后形成的复合材料示意图；

图15是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板/石墨烯/金属板结构件第一道次冷轧后复合金属板切断叠加过程示意图；

图16是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板/石墨烯/金属板结构件第二道次冷轧过程的示意图；

图17是根据本发明在将金属板/石墨烯/金属板/石墨烯/金属板结构件第二道次冷轧过程后形成的复合材料示意图；

图18是本发明烯合金产品拉伸试样断面sem扫描图；

图19是石墨烯片层发生卷区的模拟示意图；

其中，1-金属板，2-石墨烯。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以通过增加、删除、修改等各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的第一实施例，提供一种累积叠轧工艺制备烯合金的方法100。如图1所示，本发明第一实施例的累积叠轧工艺制备烯合金的方法100包括：

101,提供多个金属板；

102,将石墨烯施加到金属板表面；

103,叠合金属板，形成多板结构件；

104,对所述多板结构件施以第一道次冷轧；

105,将第一道次冷轧后的结构件扩散退火，切断；

106,切断的结构件叠加，形成叠层结构件；

107,对所述叠层结构件进行第二道次冷轧，扩散退火；和

108,继续重复n次切断、叠加、冷轧、扩散退火的工序，n为大于等于零的整数。

在步骤108中，所述重复n次至烯合金中石墨烯层的层间距小于80微米；所述重复次数n符合下列公式：

当提供多个金属板的个数为2时，n≥log2^h+3，其中，h是所述原始金属板的厚度，单位为mm；

当提供多个金属板的个数为3时，n≥log3^h+1，其中，h是所述原始金属板的厚度，单位为mm。

本发明中，使用的石墨烯浆料中的石墨烯片的长和宽是微米级；最终得到的烯合金中石墨烯片和片之间的距离是微米级，此时，石墨烯分散程度高且均匀。h厚度是毫米级(施加的石墨烯的厚度h小可忽略)，h来自原始金属板材的厚度，h决定了轧制次数，h越大，轧制次数越多。

在步骤101中，根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，提供两块金属板，所述金属板可为铝板、铜板、铜板、镁板、镍板或铝合金板等，在本实施例中金属板为铝板。根据本发明的另一个优选实施例，如图12所示，提供三块金属板，在本实施例中，金属板为铝板。

根据本发明的一个优选实施例，所述金属板的厚度相当。

在步骤102中，根据本发明的一个优选实施例，将石墨烯施加到金属板表面。根据本发明的一个优选实施例，所述将石墨烯施加到金属板表面的执行方法为：将石墨烯浆料喷涂到所述金属板表面并烘干；优选地，涂覆到金属板表面的石墨烯浆料烘干后涂层中石墨烯的面密度≤0.8mg/cm²。其中所述石墨烯浆料为石墨烯在易挥发溶剂中分散后得到浆料。其中所述易挥发溶剂可为乙醇、丙酮、水等。

根据本发明的一个优选实施例，所述将石墨烯施加到金属板表面的执行方法为：用石墨烯-钨铬盐电镀液混合搅拌制备石墨烯复合电镀液，电刷镀石墨烯到所述金属板表面并清洗烘干；优选地，涂覆到金属板表面的石墨烯复合电镀液烘干后涂层中石墨烯的面密度≤0.8mg/cm²。

研究得到，在执行上述两种在金属板表面设置石墨烯的工序时，施加到金属板表面的石墨烯浆料或石墨烯复合电镀液烘干后涂层中石墨烯的面密度≤0.8mg/cm²。如果面密度过大，无法将两板焊合，面密度过小，所得烯合金材料中的石墨烯含量小。经本发明发明人深入反复对比研究，控制面密度≤0.8mg/cm²即可，如果为了得到石墨烯含量高的烯合金材料，可控制面密度为0.6mg/cm²、0.7mg/cm²等接近上限的值。这些实施方式及其变形，都在本发明的范围内。

根据本发明的一个优选实施例，所述将石墨烯施加到金属板表面之前可事先对金属板表面进行表面处理，所述表面处理可采用磨削、碱洗、酸洗或擦洗中的一个或多个，主要目的是除油除锈，去除杂质氧化皮，调整金属板表面的粗糙度，使石墨烯与金属板表面更好地接触；优选地，所述表面处理使金属板表面粗糙度为ra10±6μm。

在步骤103中，根据本发明的一个优选实施例，如图3和图12所示，是叠合金属板，形成多板结构件的示意图，例如金属板/石墨烯/金属板或金属板/石墨烯/金属板/石墨烯/金属板结构件等，例如：铝板/石墨烯/铝板或铝板/石墨烯/铝板石墨烯/铝板(也可对这些铝板-石墨烯结构件进行端部铆接或金属封条固定，叠加在一起的铝板-石墨烯-铝板或铝板/石墨烯/铝板石墨烯/铝板复合结构(肉夹馍或三明治)容易滑动，可以用铆接和封条固定，轧制后变成一个整体材料再把这些附加物去除)。根据工业用本发明烯合金板材产品所需尺寸，例如厚度为h+1/2h(h为施加石墨烯的厚度)，那么就选择长度是l、厚度是h的金属板。例如：两金属板叠轧时，两块2mm厚金属板(涂覆石墨烯厚度h基本可以忽略)，叠在一起4mm，下压50％就是压为厚度2mm，长度变成原来两倍的一块板子，当中截断后叠在一起，还是原来的4mm厚和长度，最后一道次轧制后不再切断叠加，此时，烯合金板厚度为2mm。三块金属板叠轧时，三块2mm厚金属板(施加石墨烯厚度基本可以忽略)，叠在一起6mm，下压2/3就是压为厚度2mm，长度变为原来的三倍的一块板子，截为等长的三段后叠在一起，还是原来的6mm后和长度，最后一道次轧制后不再切断叠加，此时，烯合金板厚度为2mm。

在步骤104中，根据本发明的一个优选实施例，如图4和图13所示，对所述多板结构件施以第一道次冷轧。所述第一道次冷轧在室温条件下进行，如图4所示，第一道次冷轧下压量为50％，得厚度为h+1/2h，长度伸长1倍(2l)的石墨烯复合金属板(如图5所示)。如图13所示，对所述多板结构件第一道次冷轧下压量为2/3，得厚度为h+2/3h，长度伸长2倍(3l)的石墨烯复合金属板(如图14所示)。

根据本发明的一个优选实施例，当提供多个金属板的个数为2时，所述冷扎下压量均为40-70％，优选50％；当提供多个金属板的个数为3时，所述冷扎下压量均为50-80％，优选66.6％。

在步骤105中，根据本发明的一个优选实施例，如图5、6和14、15所示，将第一道次冷轧后的结构件扩散退火，切断。所述扩散退火的退火温度为0.5tm±0.1tm，其中tm为金属板的熔点。所述将第一道次冷轧后的结构件切断成长度大小相等的2段或3段或多段。

在步骤106中，根据本发明的一个优选实施例，如图7和15所示，将切断的结构件叠加，形成叠层结构件。

根据本发明的一个优选实施例，所述切断的结构件在叠加之前，叠层之间的金属表面涂覆石墨烯；优选地，所述涂覆石墨烯次数c≤n+1。

根据本发明的一个优选实施例，在最后一次叠轧之前可以不用在切断的结构件叠加之前在金属板表面施加石墨烯，这样更有利于石墨烯在制备得到的烯合金中分布更为均匀。

根据本发明的一个优选实施例，所述叠层之间的金属表面施加石墨烯按照如下方法执行：

对处于叠层位置的金属表面涂覆石墨烯浆料或电刷镀石墨烯复合电镀液、烘干，施加到金属板表面的石墨烯烘干后或电刷镀到金属板表面的石墨烯复合电镀液烘干后涂层中石墨烯的面密度≤0.8mg/cm²。

根据本发明的一个优选实施例，在施加石墨烯之前先对所要施加石墨烯的金属板表面进行表面处理。所述表面处理可采用磨削、碱洗、酸洗或擦洗中的一个或多个，主要目的是除油除锈，去除杂质氧化皮，调整金属板表面的粗糙度，使石墨烯浆料与金属板表面更好地接触；更优选地，所述表面处理使金属表面粗糙度为ra10±6μm。

在步骤107中，根据本发明的一个优选实施例，如图8和图16所示，对所述叠层结构件进行第二道次冷轧，然后扩散退火，分别得到第二次冷轧后的结构件，如图9和图17所示。如图10、11所示，当提供的金属板的个数是两个时，每次在叠层之间涂覆的石墨烯的厚度均为h，提供的金属板的厚度为h，那么当进行第n道次冷轧后，结构件的厚度为h+n/2h。等石墨烯-金属复合材料，当原始厚度为h的金属板在多道次轧制后被辊压为微米级厚度时，即得到本发明烯合金。在多道次的冷轧后，石墨烯被均匀分散在金属中，实现了石墨烯与金属的冷焊结合，得到的烯合金中石墨烯的含量为0.1wt‰-3wt％，例如：0.1wt‰、0.5wt‰、1wt‰、2wt‰、3wt‰、4wt‰、5wt‰、6wt‰、8wt‰、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％，等。经测试，金属采用纯铝1060，按照本发明方法在铝1060添加石墨烯：最终产品添加量以50-80ppm为例，添加有石墨烯的铝1060，其拉伸强度提高了40-60％；最终产品添加量以0.5wt‰为例，其拉伸强度提高100％以上。

本发明提供了一种新的材料—烯合金，该合金中石墨烯均匀分布，数量足够；烯与金属(例如铝)界面紧密啮合；没有疏松和孔隙。参见图18所示，从图中可以看出，在拉伸断面sem图片中可以看到，合金断面均匀分布着很多“毛毛虫”样的结构。对该“毛毛虫”样的结构进行eds能谱检测(eds能谱数据参见表1)，证明该结构为石墨烯。具体对该结构进行eds测试可以确认为石墨烯。因此，本发明提供的烯合金保持了金属的冲击韧性和优良强塑性。另外，本发明工艺难度低，工艺参数容易控制，可直接放大为大型工件制备；安全；生产效率高。

本发明针对石墨烯的薄膜特性，借用金属纳米化领域的累积叠轧工艺原理，进行改进后制备石墨烯增强铝基合金，保证石墨烯在制备过程不被破坏，石墨烯在金属的固态流变中被分散，同时石墨烯和铝基合金发生冷焊，最终获得真正的烯铝合金(保持金属特性)新材料和可大规模流水线生产的新工艺。

经本发明的发明人在金属中石墨烯的作用的长期深入研究，探索石墨烯在各项冶金工艺中的微观相变化，找出粉末冶金烯铝合金之所以迟迟无成效的原因。石墨烯材料是二维薄膜结构，厚度是纳米级，长宽是微米级，抗拉强度高但容易卷曲(好比纸张耐拉不耐揉)，要想充分利用石墨烯的拉伸强度，石墨烯在金属内部必须铺展开来，不能卷曲成团，粉末冶金中高速球磨的过程，势必导部分片状石墨烯发生卷曲，从而无法发挥石墨烯单原子层片状二维结构的优势，如图19所示。另一方面高速球磨中，金属粉末和石墨烯间发生强烈磨擦，发生微区高温，导致铝和碳发生反应，形成碳化铝，也可能是粉末冶金中石墨烯实测含量比添加量减少的原因之一。本发明的发明人从这样的思路出发，试图找出一种不破坏石墨烯片层结构和石墨烯含量高的烯合金制备工艺。然而，金属零件受力发生位错运动和裂纹扩展时，石墨烯片将受拉力而起强大的阻碍作用(第二相薄膜增强)，这和传统的第二相硬质颗粒增强金属将有明显不同，这种全新的薄膜强化机制对合金内部的石墨烯的形态、位置、分布以及两相界面有特殊要求。经深入的试验和分析，本发明发明人最终得到了本发明烯合金的制备方法，得到了一种新的材料—烯合金。该合金中石墨烯均匀分布，数量足够；且石墨烯烯与金属(例如铝)界面紧密啮合，没有疏松和孔隙。参见图18所示，从图中可以看出，在拉伸断面sem图片中可以看到，合金断面均匀分布着很多“毛毛虫”样的结构。对该“毛毛虫”样的结构进行eds能谱检测(eds能谱数据参见表1)，证明该结构为石墨烯。具体对该结构进行eds测试可以确认为石墨烯。经测试，金属采用纯铝1060，按照本发明方法在铝1060添加石墨烯：最终产品添加量以50-80ppm为例，添加有石墨烯的铝1060，其拉伸强度提高了40-60％；最终产品添加量以0.5wt‰为例，其拉伸强度提高100％以上。可见，本发明公开的制备方法和烯合金产品保持了金属的冲击韧性和优良强塑性。另外，本发明工艺难度低，工艺参数容易控制，可直接放大为大型工件制备，安全，生产效率高。

表1

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。