铝碳基复合材料及其制备方法、应用和耐磨零件与流程

本发明属于复合材料术领域，具体涉及一种铝碳基复合材料及其制备方法、应用和耐磨零件。

背景技术：

铝及铝合金由于其较高的物理及机械性能，如密度小、高比强度和低的热膨胀系数等，被广泛的应用于汽车、航空航天等领域。然而铝及铝合金的摩擦性能较低，以往降低铝合金摩擦的方法主要用液体或固体润滑剂，但是在高真空、高速、高载荷或极低极高温等条件下液体润滑剂或固体润滑脂几乎不起作用。其他能代替液体润滑剂或固体润滑脂的方法是固体润滑涂层，润滑涂层通过物理或化学的方法附着在材料表面形成一个固体润滑膜。但是，这种固体润滑膜的缺点就是使用寿命短，易氧化、脱落等。

为了避免液体润滑剂或固体润滑脂以及表面涂层的这些缺点，一种新的方法被提出。众所周知，碳具有较好的润滑性，因此最近几年采用碳(如碳纳米管，石墨，石墨烯等)复合增强铝基材料的摩擦性能的方法被广泛的使用。但是，传统的方法由于碳的密度较低在熔炼过程中很容易产生团聚现象，使基体组织不均匀，因此影响复合材料的耐磨性能。为了避免团聚现象，粉末冶金的方法获得铝/碳复合材料的方法被大量的应用，但粉末冶金的方法具有工艺复杂，加工过程中能源消耗高等缺点。

因此，所期望的是提供一种能够避免熔炼过程中出现的团聚现象，同时工艺简单、制造成本低的铝碳基复合材料的制备方法。

鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种铝碳基复合材料的制备方法，该方法能够有效避免由于碳的密度较低导致的在熔炼过程中产生的团聚或偏聚现象，并且工艺简单，设备精度要求低，能够克服上述问题或者至少部分地解决上述技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种铝碳基复合材料，该铝碳复合材料由上述制备方法制备得到，具有优异的耐磨性能等特点。

本发明的第三目的在于提供一种所述的铝碳基复合材料在耐磨零件中的应用，由本发明方法制得的铝碳基复合材料具有优异的耐磨性能，因而可广泛应用在各种耐磨零件中。

本发明的第四目的在于提供一种耐磨零件，该耐磨零件的制作材料包括所述的铝碳基复合材料，耐磨性能优异。

本发明的第五目的在于提供一种设备，该设备包括上述的耐磨零件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种铝碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将铝合金原料与糖类溶液混合，进行水热反应，得到反应物；

将反应物依次进行加热和挤压，得到铝碳基复合材料。

进一步的，所述铝合金原料的质量与糖类溶液的体积比例为(1-100)g：(1-1000)ml；

优选地，所述铝合金原料包括铝合金切屑；

优选地，所述糖类溶液中糖类的摩尔浓度为0.001-10mol/l。

进一步的，所述糖类溶液中的糖类包括单糖和/或多糖；

优选地，所述糖类包括葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、海藻糖、淀粉或纤维素中的至少一种；

优选地，所述糖类为葡萄糖。

进一步的，水热反应的温度为50-300℃，水热反应的时间为1-24h。

进一步的，所述加热包括：将干燥后的反应物进行真空加热；

优选地，真空加热的温度为300-530℃，真空加热的时间为1-24h。

进一步的，所述挤压包括：先对加热得到的物料进行压制，得到压坯；再对所述压坯进行挤压，得到铝碳基复合材料；

优选地，先将加热得到的物料加入到压坯装置中，再对压坯装置进行加热，然后再进行压制，得到压坯；

优选地，对压坯装置加热的温度为200-400℃，保温时间为1-30min；

优选地，压制时，压制压力为300-800mpa，保压时间为5-60s；

优选地，先将所述压坯加入到挤压装置中，再对挤压装置进行加热，然后再进行挤压，得到铝碳基复合材料；

优选地，对挤压装置加热的温度为200-400℃，保温时间为1-30min；

优选地，挤压时，挤压压力为600-1200mpa，挤压比为23-27:1。

进一步的，还包括对铝合金原料进行预处理的步骤，所述预处理包括对铝合金原料进行清洗；

优选地，所述清洗包括超声清洗；

优选地，所述超声清洗包括：依次利用酮类溶液、醇类溶液和水进行超声清洗；

优选地，利用酮类溶液、醇类溶液和水进行超声清洗的时间各自独立地为1-30min。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种铝碳基复合材料，采用如上所述的铝碳基复合材料的制备方法制备得到。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种如上所述的铝碳基复合材料在耐磨零件中的应用。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种耐磨零件，所述耐磨零件的制作材料包括如上所述的铝碳基复合材料。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种设备，所述设备包括上述的耐磨零件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的铝碳基复合材料的制备方法，利用了铝合金原料和糖类溶液为原料，经水热反应后糖类溶液中的糖类附着在铝合金表面，而后经过加热使得附着在铝合金表面的糖类分解，分解产物为水、气体(如二氧化碳、氢气等)和碳，分解后水和气体蒸发，固体碳仍然附着在铝合金表面，增强材料的润滑作用，进一步再通过挤压，即可得到高强度耐磨性性能优异的铝碳基复合材料。

本发明提供的制备方法工艺简单，易于操作，设备精度要求低，大大降低了生产成本，而且其采用水热反应将糖类均匀的附着到铝合金原料表面，同时采用非重熔的方法使碳均匀的分布在材料中，无需重新融化，从而也避免了碳由于密度低而在重熔金属内出现的偏聚现象。即，由本发明方法制得的铝碳基复合材料的内部组织均匀，材料的耐磨性好，生产成本低。

由本发明方法制得的铝碳基复合材料与现有的铝基复合材料相比，耐磨性至少提高了10％。

由本发明方法制得的铝碳基复合材料具有优异的耐磨性能，因而可广泛的应用在各种耐磨零件中，例如可应用在坦克车、摩托车、汽车发动机的活塞、缸套等领域的耐磨零件中，可增强耐磨零件的耐磨性，延长其使用寿命，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的水热反应的反应装置反应釜的状态剖视图；

图2为本发明实施例提供的压制装置制备压坯的状态剖视图；

图3为本发明实施例提供的挤压装置挤压棒材的状态剖视图。

图标：100－反应釜；101－反应釜盖；102－顶部垫片；103－内胆盖；104－反应釜体；105－内胆；106－底部垫片；200－压制装置；201－第一冲头；202－第一套筒；203－第一模具；204－压坯；205－垫片；300－挤压装置；301－第二冲头；302－第二套筒；303－第二模具；304－棒材；305－挤出模具。

具体实施方式

下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

为克服现有技术的不完善，本发明提供一种新的铝碳基复合材料的制备方法，通过将铝合金原料与糖类溶液进行水热反应，而后再依次进行加热和挤压的方式，避免了熔炼过程中团聚现象的出现，有效的改善和提升了基体组织的均匀性，使得制得的复合材料的内部组织均匀，耐磨性好，并且工艺简单，生产成本低。

第一方面，在至少一个实施例中提供一种铝碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将铝合金原料与糖类溶液混合，进行水热反应，得到反应物；

将反应物依次进行加热和挤压，得到铝碳基复合材料。

需要说明的是，上述“铝合金原料”是指在制备该铝碳基复合材料过程中加入的原料铝合金。上述铝合金原料也可简称为铝合金。

根据本发明的制备方法，利用铝合金原料和糖类溶液为原料，经水热反应后糖类溶液中的糖类附着在铝合金表面，而后经过加热使得附着在铝合金表面的糖类分解，分解产物为水、气体(如二氧化碳、氢气等)和碳，分解后水和气体蒸发，固体碳仍然附着在铝合金表面，增强材料的润滑作用，进一步再通过挤压，即可得到高强度耐磨性性能优异的铝碳基复合材料。

与传统的铝碳复合材料的制备方法相比，本发明采用水热反应将糖类均匀的附着到铝合金原料表面，同时采用非重熔的方法使碳均匀的分布在材料中，无需重新融化，从而也避免了碳由于密度低而在重熔金属内出现的偏聚现象，进而也有效提高了基体组织的均匀性。通过本发明方法制得的铝碳基复合材料的内部组织均匀，耐磨性能优异。

此外，与现有的粉末冶金的方法相比，本发明方法工艺简单，容易操作，可控性好，成本低，利于实现工业化规模化生产。进一步讲，本发明仅通过铝合金原料与糖类溶液的水热反应、加热和挤压即可成功制备出耐磨性能优异的铝碳基复合材料，无需采用繁杂的工序和复杂昂贵的设备，对设备精度要求低；不仅设备成本低，而且所采用的铝合金原料和糖类溶液也来源广泛，成本低，从而大大降低了复合材料的生产成本。

本发明首次提出了利用铝合金原料与糖类溶液为原料，通过水热反应、加热和挤压的方式进行制备铝碳基复合材料，形成了均匀的复合结构，赋予了该铝碳基复合材料优异的耐磨性能，使其具有更为广阔的市场前景。由本发明方法制得的铝碳基复合材料与现有的铝基复合材料相比，耐磨性至少提高了10％。

需要说明的是：

除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。

上述“铝碳基复合材料”也可以称为铝/碳基复合材料，或者铝碳复合材料。

本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。

本发明中，除非另有说明，各个反应步骤可以顺序进行，也可以不按顺序进行。例如各个反应步骤之间可以包含其他步骤，而且反应步骤之间也可以调换顺序。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。

在一种优选的实施方式中，所述铝合金原料的质量与糖类溶液的体积比例为(1-100)g：(1-1000)ml，优选为10-20g：100ml；

优选地，所述糖类溶液中糖类的摩尔浓度为0.001-10mol/l，优选为0.1-1mol/l。

需要说明的是，本发明中，以范围形式表达的值应当灵活的方式理解为不仅包括明确列举出的作为范围限值的数值，而且还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子区间，犹如每个数值和子区间被明确列举出。例如，铝合金原料的质量与糖类溶液的体积比例为(1-100)g：(1-1000)ml，应当理解为不仅包括明确列举出100g：1000ml和1g：1ml，还包括所指范围内的单个数值，如10g：50ml、10g：60ml、10g：80ml、10g：100ml、20g：100ml、25g：100ml、30g：100ml、40g：100ml、15g：500ml、30g：500ml、80g：500ml、300g：1000ml等。再如，糖类溶液中糖类的摩尔浓度为0.001-10mol/l，典型但非限制性的可以列举出0.001mol/l、0.005mol/l、0.01mol/l、0.05mol/l、0.08mol/l、0.1mol/l、0.15mol/l、0.18mol/l、0.2mol/l、0.25mol/l、0.3mol/l、0.4mol/l、0.001mol/l、0.5mol/l、0.8mol/l、1.0mol/l、2.0mol/l、3.0mol/l、4.0mol/l、5.0mol/l、6.0mol/l、8.0mol/l、10mol/l等。

根据本发明，在水热反应中，将一定量的铝合金原料与一定量的糖类溶液混合，在上述适宜范围内的铝合金原料用量和糖类溶液用量范围内，不会影响水热反应的进行，可以使反应更快、更顺利的进行，更有助于提升复合材料的耐磨性能，同时降低材料的生产成本，有利于提高复合材料的经济效益。

应当理解的是，糖类溶液是主要由糖类和溶剂混合组成的混合物。根据本发明，在该糖类溶液中糖类的含量为0.001-10mol/l，采用此浓度范围内的糖类溶液，不仅可以使糖类更好的溶解在溶剂中，而且可以使其与铝合金原料更好的配合，更有助于水热反应的进行。

需要说明的是，本发明对于糖类溶液中所采用的溶剂没有特别的限制，例如可以采用水作为溶剂，也可以采用本领域常用的或熟知的其他有机或无机溶剂，只要不对本发明的目的产生限制即可。

在一种优选的实施方式中，所述铝合金原料包括铝合金切屑。

需要说明的是，上述铝合金切屑是指，铝工业机械加工过程中产生的铝合金切屑，属于铝工业生产中的废铝。

在铝工业生产中，废铝的比重较大，并且铝合金切屑物在回用铝中占很大比例，因此能够更好的回收这些废铝将具有重要的意义。铝合金加工过程中会产生切屑，铝合金的切屑有多种形状，比如丝状、絮状、螺旋状、长条状、片状等。本发明利用回收的切屑作为原料，如此，实现了对铝合金废弃物的回收再利用。

根据本发明，以铝合金切屑为原料，不仅可以充分实现铝合金废弃物的回收再利用，而且可以进一步降低铝碳基复合材料的生产成本。

在一种优选的实施方式中，所述糖类溶液中的糖类包括单糖和/或多糖；

优选地，所述糖类包括葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、海藻糖、淀粉或纤维素中的至少一种；

更优选地，所述糖类为葡萄糖。

需要说明的是，本发明中，“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如a和/或b包括(a和b)和(a或b)。本发明中，“至少一种”是指其中的任意一种、两种或两种以上，例如糖类包括葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、海藻糖、淀粉或纤维素中的至少一种，可以理解为糖类为葡萄糖，糖类为蔗糖，糖类为葡萄糖和果糖，糖类为麦芽糖和海藻糖，糖类为半乳糖、蔗糖和乳糖等。

本发明中的糖类包括单糖和/或多糖是指，该糖类可以为单糖，可以为多糖，也可以为单糖和多糖。其中的多糖包括二糖以及其他类型的多糖。

进一步，单糖选自以下中的至少一种：葡萄糖、果糖或半乳糖。例如，单糖可以为葡萄糖，可以为果糖，可以为半乳糖，可以为葡萄糖和果糖，也可以为葡萄糖和半乳糖等。

进一步，多糖选自以下中的至少一种：蔗糖、乳糖、麦芽糖、海藻糖、淀粉或纤维素。例如，多糖可以为蔗糖，可以为乳糖，可以为麦芽糖，可以为海藻糖，可以为淀粉，可以为纤维素，可以为蔗糖和乳糖，可以为蔗糖、乳糖和麦芽糖，可以为淀粉和纤维素，也可为麦芽糖和海藻糖等。

较佳的，本发明所采用的糖类为葡萄糖。葡萄糖属于单糖中的一种，比较容易与铝合金切屑反应并附着到切屑表面，比较容易碳化，在加热条件下更容易分解为水、二氧化碳等气体和碳，分解条件温和，容易控制，分解后的碳可以很好的与铝合金均匀的结合在一起，能够很好的起到增强材料润滑的作用，并形成均匀的复合结构，提升材料的耐磨性。同时，葡萄糖来源广泛，成本低，易于获得。

在一种优选的实施方式中，水热反应的温度为50-300℃，水热反应的时间为1-24h；典型但非限制的水热反应的温度例如可以为50℃、80℃、100℃、120℃、150℃、180℃、200℃、220℃、240℃、250℃、280℃或300℃；典型但非限制的水热反应的时间例如可以为1h、2h、3h、4h、5h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h。

根据本发明的实施例，水热反应的温度为50-300℃，优选为150-250℃，水热反应的时间为1-24h，优选为1-5h。发明人经过大量实验得到上述最优水热反应条件，在此优选的水热反应条件下更有助于部分糖类物质附着到铝合金切屑表面。进一步讲，水热反应温度优选在150-250℃，若水热反应温度过低，比如低于150℃以下时，水热碳球不能形成，水热温度超过150℃时，才有碳球产生，且水热碳球尺寸随温度升高而增大，数量随温度升高而增加，当水热温度超过250℃时，水热碳尺寸过大，数量较多，导致复合材料结合较差，磨损率反而降低。同样的，水热反应时间对水热碳的影响与水热反应温度的影响相似，水热反应时间不够则不能产生水热碳球，时间过长则水热碳球数量和尺寸明显增加。

在一种优选的实施方式中，将烘干后的反应物进行真空加热；

优选地，真空加热的温度为300-530℃，真空加热的时间为1-24h；典型但非限制的真空加热的温度例如可以为300℃、320℃、350℃、360℃、380℃、400℃、420℃、440℃、450℃、460℃、480℃、500℃、510℃、520℃或530℃；典型但非限制的真空加热的时间例如可以为1h、2h、3h、4h、5h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h。

可以理解的是，本发明的制备方法中，在水热反应之后，还包括将得到的反应物进行烘干的步骤，以得到烘干的反应物。本发明所述的加热是将烘干的反应物进行加热。本发明对于烘干的具体条件或方式没有特别的限制，只要能将水热反应后得到反应物烘干即可，具体的烘干条件可以由本领域技术人员进行调控。

所述的真空加热，即将烘干后的反应物放入真空炉中进行加热。

根据本发明的实施例，真空加热的温度为300-530℃，优选为400-500℃，真空加热的时间为1-24h，优选为1-4h。发明人经过大量实验得到上述最优真空加热条件，在此优选的真空加热条件下更有助于葡萄糖分解，使得真空加热后的葡萄糖分解为水、气体(如二氧化碳、氢气等)和碳，并且碳均匀的附着在铝合金切屑表面，形成附着有碳的铝合金切屑。

进一步讲，真空加热温度过低则水热碳的碳化程度低，时间较短也不能充分碳化，随真空加热温度和时间的增加，水热碳化程度升高，但真空加热温度过高将导致铝基中α-al尺寸增加，甚至使铝基体融化，降低基体的强度及硬度等。

在一种优选的实施方式中，所述挤压包括：先对加热得到的物料进行压制，得到压坯；再对所述压坯进行挤压，得到铝碳基复合材料。

可以理解的是，本发明的制备方法中，将加热后的物料，也就是附着碳的铝合金切屑进行挤压包括依次进行的压制和挤压，也可以称为挤压包括依次进行的第一次挤压和第二次挤压。通过两次挤压操作，更有助于得到符合生产需要的铝碳基复合材料。

优选地，操作时，先将加热得到的物料加入到压坯装置中，再对压坯装置进行加热，然后再进行压制，得到压坯。

优选地，对压坯装置加热的温度为200-400℃，保温时间为1-30min；典型但非限制性的加热温度例如可以为200℃、220℃、240℃、250℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃、350℃、360℃、380℃或400℃，典型但非限制性的保温时间例如可以为1min、2min、5min、8min、10min、12min、15min、16min、18min、20min、22min、25min、28min或30min。

优选地，压制时，压制压力为300-800mpa，保压时间为5-60s；典型但非限制性的压制压力例如可以为300mpa、350mpa、400mpa、450mpa、500mpa、550mpa、600mpa、650mpa、700mpa、750mpa或800mpa，典型但非限制性的保压时间例如可以为5s、10s、15s、20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s、55s或60s。

这样，先将附着有碳的铝合金切屑装入压坯装置中，将压坯装置加热至200-400℃，然后保温1-30min，再对压坯装置进行挤压。将切屑装入压坯装置后，再对整个装置进行加热，能够极大的降低废屑的热量散失率，使切屑保持在较高温度时得到挤压，如此，就能够保证压制得到的压坯的质量，避免压坯产生裂纹等缺陷。较佳的，压制时，压力为300～800mpa，保压时间为5～60s。采用上述操作方式和优选的操作条件进行压制，更有助于获得性能优异的铝碳合金复合材料，还有助于简化工艺、提高制备效率。

优选地，在压制之后，还包括：将所述压坯加入到挤压装置中，再对挤压装置进行加热，然后再进行挤压，得到铝碳基复合材料；

优选地，对挤压装置加热的温度为200-400℃，保温时间为1-30min；典型但非限制性的加热温度例如可以为200℃、220℃、240℃、250℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃、350℃、360℃、380℃或400℃，典型但非限制性的保温时间例如可以为1min、2min、5min、8min、10min、12min、15min、16min、18min、20min、22min、25min、28min或30min。

优选地，挤压时，挤压压力为600-1200mpa，挤压比为23-27:1；典型但非限制性的挤压压力例如可以为600mpa、700mpa、800mpa、900mpa、1000mpa、1100mpa或1200mpa，典型但非限制性的挤压比例如可以为23:1、24:1、25:1、26:1或27:1。

这样，先将压制后得到压坯装入另一挤压装置中，将该挤压装置加热至200-400℃，保温1-30min，然后再次挤压，得到棒材。较佳的，挤压的挤压压力为600-1200mpa，挤压比为23-27:1。采用上述操作方式和优选的操作条件进行挤压，更有助于获得性能优异的铝碳合金复合材料，能够得到符合生产需要的高性能铝碳基复合棒材，还有助于简化工艺、提高制备效率。

在一种优选的实施方式中，还包括对铝合金原料进行预处理的步骤，所述预处理包括对铝合金原料进行清洗；

优选地，所述清洗包括超声清洗；

优选地，超声清洗的所采用的溶液包括酮类溶液、醇类溶液和水；

优选地，利用酮类溶液、醇类溶液和水进行超声清洗的时间各自独立地为1-30min。

可以理解的是，在反应之前，需要先将铝合金原料进行预处理，所述的铝合金原料主要是指铝合金切屑，在机械加工过程中产生的铝合金切屑会存在一些杂质、油污等，因而需要将其清洗干净再进行反应。

根据本发明，在对铝合金切屑进行超声清洗时，需要采用三种溶液清洗三次，分别为酮类溶液清洗一次，醇类溶液清洗一次和水清洗一次，以更好的去除铝合金切屑上的杂质、油污等。

本发明中，对于所采用的醇类溶液和酮类溶液不作严格限制，可以选择本领域在超声清洗中已知常用的种类，具体品种和用量均可由本领域技术人员根据实际情况或经试验确定。

例如，酮类溶液可以为丙酮、丁酮等。再如，醇类溶液可以为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇或叔丁醇等。

较佳的，酮类溶液选用丙酮；醇类溶液选用乙醇(酒精)。

根据本发明的实施例，将回收的铝合金切屑进行超声清洗除杂，具体的，先将铝合金切屑置于丙酮溶液中超声清洗1-30min，再将铝合金切屑置于乙醇溶液中超声清洗1-30min，最后将铝合金切屑置于蒸馏水中清洗1-30min。

根据本发明的实施例，下面将对制备方法中优选的实施方式进行详细描述。由此，根据本发明实施例的方法得到铝碳复合材料具有优异的耐磨性，整个制备工艺操作简单，制造方便，制造成本低。

s100预处理

在该步骤中，将铝合金切屑进行超声清洗。

根据本发明的实施例，s100预处理包括：先将铝合金切屑置于丙酮溶液中超声清洗1-30min，再将铝合金切屑置于乙醇溶液中超声清洗1-30min，最后将铝合金切屑置于蒸馏水中清洗1-30min。

s200水热反应

在该步骤中，将清洗后的铝合金切屑与糖类溶液混合，在反应釜中进行水热反应，得到反应物；然后将反应物烘干，得到烘干的反应物。

根据本发明的实施例，s200水热反应包括：清洗后的铝合金切屑和糖类溶液混合，糖类溶液中糖类的摩尔浓度为0.001-10mol/l，糖类溶液中的糖类包括单糖和/或多糖，优选为葡萄糖，其中铝合金切屑的质量与糖类溶液的体积比例为(1-100)g：(1-1000)ml，将混合的切屑和葡萄糖溶液加入到反应釜中进行水热反应，加热至50℃-300℃，保温1-24h，然后将反应物烘干，水热反应后部分糖类附着到切屑表面。

s300加热

在该步骤中，将烘干后的反应物进行真空加热。

根据本发明的实施例，s300加热包括：将烘干的反应物放入真空炉中加热至300-530℃，保温1-24h，加热后糖类分解为水、二氧化碳、氢气等气体和碳，并且碳均匀的附着在切屑表面，形成附着有碳的铝合金切屑。

s400挤压

在该步骤中，先对附着有碳的铝合金切屑进行压制，得到压坯；再对所述压坯进行挤压，得到铝碳基复合材料。

根据本发明的实施例，s400挤压包括：先将附着有碳的铝合金切屑装入压坯装置中，将压坯装置加热至200-400℃，然后保温1-30min，再对压坯装置进行挤压；压制时，压力为300-800mpa，保压时间为5-60s。

在压制之后，还包括：将压制得到的压坯装入另一挤压装置中，将该挤压装置加热至200-400℃，保温1-30min，然后再次挤压，得到铝碳基复合棒材，其中，挤压的挤压压力为600-1200mpa，挤压比为23-27:1。

由此，根据本发明实施例的方法，利用铝合金零件加工过程中会产生的铝合金切屑，作为原料，如此，实现了对铝合金的回收再利用。经水热反应后糖类如葡萄糖附着到切屑表面，经300-530℃真空加热后附着在切屑表面的糖类分解，分解产物为水、气体(如二氧化碳、氢气等)和碳，分解后水和气体蒸发，固体碳附仍然附着在切屑表面，增强材料的润滑作用，再通过挤压，得到高强度耐磨的铝/碳基复合材料。该制造方法工艺简单，设备精度要求低，大大降低了生产成本，而且其采用水热反应将葡萄糖均匀的附着到切屑表面，同时采用非重熔的方法使碳均匀的分布在材料中，无需重新融化，从而也避免了碳由于密度低而在重熔金属内出现的偏聚现象。本发明制得的铝/碳基复合材料的耐磨性与现有的铝基复合材料相比，提高了至少10％。

第二方面，在一些实施例中提供一种铝碳基复合材料，采用上述的铝碳基复合材料的制备方法制备得到。

由本发明方法制得的铝碳基复合材料的内部组织均匀，材料的耐磨性好，生产成本低。

由本发明方法制得的铝碳基复合材料与现有的铝基复合材料相比，耐磨性至少提高了10％。

本领域技术人员能够理解的是，前面针对铝碳基复合材料的制备方法所描述的特征和优点，同样适用该铝碳基复合材料，在此不再赘述。

第三方面，在一些实施例中提供一种上所述的铝碳基复合材料在耐磨零件中的应用。

第四方面，在一些实施例中提供一种耐磨零件，所述耐磨零件的制作材料包括如上所述的铝碳基复合材料。

第五方面，在一些实施例中提供一种设备，所述设备包括上述的耐磨零件。

本发明的铝碳复合材料耐磨性能优异，拓宽了材料的应用范围。比如，该铝碳基复合材料在汽车、摩托车、军工等领域中应用广泛，而耐磨零件主要是指如坦克车、摩托车、汽车发动机的活塞、缸套及缸体等耐磨零件。

可以理解的是，上述设备为包含该耐磨零件的设备，该设备例如可以为汽车、摩托车、坦克车等。

应当理解的是，本发明第三方面的应用、第四方面的耐磨零件和第五方面的设备与前述的铝碳基复合材料及其制备方法是基于同一发明构思的，因而至少具有与上述铝碳基复合材料及其制备方法相同的优势，在此不再赘述。

需要说明的是，上述铝碳基复合材料及其制备方法和应用的说明中未详细描述的内容，均是本领域技术人员容易想到的常用参数或常规操作方式，例如烘干的条件等，可以参照现有技术，或由本领域技术人员根据实际情况进行调控，因此可以省略对其的详细说明。

为了便于理解本发明，下面结合具体实施例、对比例和附图，对本发明作进一步说明。

实施例1

一种铝碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s100、将回收的adc12铝合金切屑进行超声清洗，其中超声清洗所采用的溶液选自丙酮、酒精和蒸馏水，在超声清洗时分别依次用丙酮、乙醇和蒸馏水各自清洗5min；

s200、将清洗后的adc12铝合金切屑和葡萄糖溶液混合，葡萄糖溶液中葡萄糖的含量为0.2mol/l，其中切屑的质量为20g，葡萄糖溶液的体积为100ml；将混合的切屑和葡萄糖溶液加入到反应釜中进行水热反应，加热至200℃，保温2h，然后将反应物烘干；

s300、将烘干的反应物放入真空炉中加热至400℃，保温2h；

s400、将加热后的物料装入压坯装置，将压坯装置加热至350℃，然后保温20min，再对压坯装置进行压制，压制压力为640mpa，保压时间为50s，制得压坯；

将压坯装入挤压装置中，将挤压装置加热至350℃，然后保温20min，再对挤压装置进行挤压，挤压压力为640mpa，挤压比为25:1，得到生产需要的铝碳基复合材料。

本实施例还提供了一种铝碳基复合材料，是通过上述的铝碳基复合材料的制备方法制得的。

取上述制得的铝碳基复合材料进行摩擦磨损试验，试验结果表明，该复合材料的摩擦系数为0.44，磨损率为0.462*10^-4mm³/n*m。

本发明中，摩擦磨损试验采用干滑动摩擦磨损测试在sft-2m肖盘式摩擦磨损试验机上进行，测试在室温下进行，对磨材料为gcr15钢球，硬度为55-66hrc。式样为直径8mm，高度5mm，并采用1500目砂纸对表面进行预磨，预磨后用酒精清洁。摩擦磨损测试载荷为8n，转速200r/min，测试时间3600s；每个工艺进行三次测试，测试后对式样进行称重，计算其磨损率(下述实施例和对比例的测试方法与此相同)。

实施例2

一种铝碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s100、将回收的adc12铝合金切屑进行超声清洗，其中超声清洗所采用的溶液选自丙酮、酒精和蒸馏水，在超声清洗时分别依次用丙酮、乙醇和蒸馏水各自清洗5min；

s200、将清洗后的adc12铝合金切屑和葡萄糖溶液混合，葡萄糖溶液中葡萄糖的含量为0.2mol/l，其中切屑的质量为20g，葡萄糖溶液的体积为100ml；将混合的切屑和葡萄糖溶液加入到反应釜中进行水热反应，加热至180℃，保温2h，然后将反应物烘干；

s300、将烘干的反应物放入真空炉中加热至500℃，保温2h；

s400、将加热后的物料装入压坯装置，将压坯装置加热至350℃，然后保温20min，再对压坯装置进行压制，压制压力为640mpa，保压时间为50s，制得压坯；

将压坯装入挤压装置中，将挤压装置加热至350℃，然后保温20min，再对挤压装置进行挤压，挤压压力为640mpa，挤压比为25:1，得到生产需要的铝碳基复合材料。

本实施例还提供了一种铝碳基复合材料，是通过上述的铝碳基复合材料的制备方法制得的。

取上述制得的铝碳基复合材料进行摩擦磨损试验，试验结果表明，该复合材料的摩擦系数为0.42，磨损率为0.381*10^-4mm³/n*m。

实施例3

一种铝碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s100、将回收的ac9b铝合金切屑进行超声清洗，其中超声清洗所采用的溶液选自丙酮、酒精和蒸馏水，在超声清洗时分别依次用丙酮、乙醇和蒸馏水各自清洗5min；

s200、将清洗后的ac9b铝合金切屑和葡萄糖溶液混合，葡萄糖溶液中葡萄糖的含量为0.2mol/l，其中切屑的质量为20g，葡萄糖溶液的体积为100ml；将混合的切屑和葡萄糖溶液加入到反应釜中进行水热反应，加热至180℃，保温2h，然后将反应物烘干；

s300、将烘干的反应物放入真空炉中加热至500℃，保温2h；

s400、将加热后的物料装入压坯装置，将压坯装置加热至350℃，然后保温20min，再对压坯装置进行压制，压制压力为640mpa，保压时间为50s，制得压坯；

将压坯装入挤压装置中，将挤压装置加热至350℃，然后保温20min，再对挤压装置进行挤压，挤压压力为640mpa，挤压比为25:1，得到生产需要的铝碳基复合材料。

本实施例还提供了一种铝碳基复合材料，是通过上述的铝碳基复合材料的制备方法制得的。

取上述制得的铝碳基复合材料进行摩擦磨损试验，试验结果表明，该复合材料的摩擦系数为0.35，磨损率为0.205*10^-5mm³/n*m。

实施例4

一种铝碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s100、将回收的ac9b铝合金切屑进行超声清洗，其中超声清洗所采用的溶液选自丙酮、酒精和蒸馏水，在超声清洗时分别依次用丙酮、乙醇和蒸馏水各自清洗8min、10min和10min；

s200、将清洗后的ac9b铝合金切屑和果糖溶液混合，果糖溶液中果糖的含量为0.5mol/l，其中切屑的质量为15g，果糖溶液的体积为100ml；将混合的切屑和果糖溶液加入到反应釜中进行水热反应，加热至250℃，保温3h，然后将反应物烘干；

s300、将烘干的反应物放入真空炉中加热至530℃，保温1.5h；

s400、将加热后的物料装入压坯装置，将压坯装置加热至400℃，然后保温30min，再对压坯装置进行压制，压制压力为600mpa，保压时间为60s，制得压坯；

将压坯装入挤压装置中，将挤压装置加热至400℃，然后保温30min，再对挤压装置进行挤压，挤压压力为600mpa，挤压比为26:1，得到生产需要的铝碳基复合材料。

本实施例还提供了一种铝碳基复合材料，是通过上述的铝碳基复合材料的制备方法制得的。

取上述制得的铝碳基复合材料进行摩擦磨损试验，试验结果表明，该复合材料的摩擦系数为0.36，磨损率为0.273*10^-5mm³/n*m。

实施例5

一种铝碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s100、将回收的adc12铝合金切屑进行超声清洗，其中超声清洗所采用的溶液选自丙酮、酒精和蒸馏水，在超声清洗时分别依次用丙酮、乙醇和蒸馏水各自清洗10min；

s200、将清洗后的adc12铝合金切屑和蔗糖溶液混合，蔗糖溶液中蔗糖的含量为1.0mol/l，其中切屑的质量为8g，蔗糖溶液的体积为100ml；将混合的切屑和蔗糖溶液加入到反应釜中进行水热反应，加热至150℃，保温5h，然后将反应物烘干；

s300、将烘干的反应物放入真空炉中加热至350℃，保温3h；

s400、将加热后的物料装入压坯装置，将压坯装置加热至300℃，然后保温25min，再对压坯装置进行压制，压制压力为500mpa，保压时间为40s，制得压坯；

将压坯装入挤压装置中，将挤压装置加热至300℃，然后保温25min，再对挤压装置进行挤压，挤压压力为640mpa，挤压比为27:1，得到生产需要的铝碳基复合材料。

本实施例还提供了一种铝碳基复合材料，是通过上述的铝碳基复合材料的制备方法制得的。

取上述制得的铝碳基复合材料进行摩擦磨损试验，试验结果表明，该复合材料的摩擦系数为0.39，磨损率为0.346*10^-4mm³/n*m。

实施例6

一种铝碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s100、将回收的ac9b铝合金切屑进行超声清洗，其中超声清洗所采用的溶液选自丙酮、酒精和蒸馏水，在超声清洗时分别依次用丙酮、乙醇和蒸馏水各自清洗5min；

s200、将清洗后的ac9b铝合金切屑和葡萄糖溶液混合，葡萄糖溶液中葡萄糖的含量为0.5mol/l，其中切屑的质量为10g，葡萄糖溶液的体积为100ml；将混合的切屑和葡萄糖溶液加入到反应釜中进行水热反应，加热至200℃，保温2h，然后将反应物烘干；

s300、将烘干的反应物放入真空炉中加热至500℃，保温2h；

s400、将加热后的物料装入压坯装置，将压坯装置加热至300℃，然后保温5min，再对压坯装置进行压制，压制压力为640mpa，保压时间为47s，制得压坯；

将压坯装入挤压装置中，将挤压装置加热至300℃，然后保温5min，再对挤压装置进行挤压，挤压压力为640mpa，挤压比为25:1，得到生产需要的铝碳基复合材料。

本实施例还提供了一种铝碳基复合材料，是通过上述的铝碳基复合材料的制备方法制得的。

取上述制得的铝碳基复合材料进行摩擦磨损试验，试验结果表明，该复合材料的摩擦系数为0.31，磨损率为0.267*10^-5mm³/n*m。

实施例7

上述实施例1-6任一项所述的制备方法均可采用图1所示的反应釜、图2所示的压制装置和图3所示的挤压装置进行制备铝碳基复合材料。

以实施例6为例，当其采用图1所示的反应釜、图2所示的压制装置和图3所示的挤压装置进行制备时，具体制备步骤如下：

s100、将回收的ac9b铝合金切屑进行超声清洗，其中超声清洗所采用的溶液选自丙酮、酒精和蒸馏水，在超声清洗时分别依次用丙酮、乙醇和蒸馏水各自清洗5min；

s200、将清洗后的ac9b铝合金切屑和葡萄糖溶液混合，葡萄糖溶液中葡萄糖的含量为0.5mol/l，其中切屑的质量为10g，葡萄糖溶液的体积为100ml；

如图1所示，反应釜100，包括：反应釜盖101，顶部垫片102、内胆盖103、反应釜体104、内胆105和底部垫片106，内胆盖103套装与内胆105上，并与内胆105过盈配合，底部垫片106、套装的内胆盖103与内胆105和顶部垫片102均套装于反应釜体104中，底部垫片106、套装的内胆盖103与内胆105和顶部垫片102均与反应釜体104间隙配合，套装的内胆盖103与内胆105设置于底部垫片上，顶部垫片102设置于套装的内胆盖103与内胆105上，反应釜盖101套装于反应釜体104上，并与应釜体104螺纹配合。

将混合的切屑和葡萄糖溶液加入到内胆105内，套装上内胆盖103，底部垫片106、套装的内胆盖103与装入切屑的内胆105和顶部垫片102均套装于反应釜体104中，套装上反应釜盖101，加热至200℃，保温2h，进行水热反应；

s300、将烘干的反应物放入真空炉中加热至500℃，保温2h；

s400、如图2所示，利用压制装置200，压制装置200包括第一冲头201、第一套筒202、第一模具203、垫片205，第一冲头201套装于第一模具203中，并与第一模具203间隙配合，第一模具203、垫片205均套装于第一套筒202中，第一模具203与第一套筒202间隙配合，并且第一模具203设置于垫片205上；第一冲头201的直径为φ40mm，第一模具203的型腔直径为φ40mm、外径为φ80mm，第一套筒202的外径为φ160mm，垫片205的直径为φ80mm(由于压制装置200为本领域常用设备，在此不再赘述)；

将烘干后的切屑装入第一模具203中，再将第一模具203装入第一套筒202中，将第一冲头201装入第一模具203中，将装配好的压制装置200随炉加热至300℃，然后保温5min，再将加热后的压制装置200进行压制，压制压力为640mpa，保压时间为47s，将第一模具203中的切屑压实，得到压坯204；

如图3所示，利用挤压装置300，挤压装置300包括第二冲头301、第二套筒302、第二模具303和挤出模具305，第二冲头301套装于第二模具303中，并与第二模具303间隙配合，第二模具303、挤出模具305均套装于第二套筒302中，第二模具303与第二套筒302间隙配合，并且第二模具303设置于挤出模具305上；第二冲头301的直径为φ40mm，第二模具303的型腔直径为φ40mm、外径为φ80mm，挤出模具305的型腔为φ8mm、外径为φ40mm，第二套筒302的外径为φ160mm(由于挤压装置300为本领域常用设备，在此不再赘述)；

将压坯204放入第二模具303中，再将第二模具303装入第二套筒302中，将第二冲头301装入第二模具303中，将装配好的挤压装置300放入电阻炉内加热至300℃，然后保温5min，再将加热后的挤压装置300放入挤压机中挤压，挤压机对第二冲头301加压，压力为640mpa，挤压比为25：1，将第二模具303中的压坯204通过挤出模具305挤压成棒材304。

对比例1

一种铝合金的制备方法，包括以下步骤：

s100、将回收的ac9b铝合金切屑进行超声清洗，其中超声清洗所采用的溶液选自丙酮、酒精和蒸馏水，在超声清洗时分别依次用丙酮、乙醇和蒸馏水各自清洗5min；

s200、将清洗后的切屑装入压坯装置，将压坯装置加热至350℃，然后保温20min，再对压坯装置进行压制，压制压力为640mpa，保压时间为50s，制得压坯；

将压坯装入挤压装置中，将挤压装置加热至350℃，然后保温20min，再对挤压装置进行挤压，挤压压力为640mpa，挤压比为25:1，得到铝合金材料。

本对比例与实施例3的区别在于，省略了步骤s200和s300，即将清洗后铝合金直接进行挤压。

取本对比例制得的铝合金进行摩擦磨损试验，试验结果表明，该材料的摩擦系数为0.41，磨损率为0.287*10^-5mm³/n*m。

本对比例与实施例3相比，摩擦系数降低了14.63％，磨损率降低了28.57％。

对比例2

现有的一种铝基复合材料，采用市面购得的al2o3铝基复合材料作为对照材料。

采用同样的方法，对该复合材料进行摩擦磨损试验，试验结果表明，该材料的摩擦系数为0.48，磨损率为0.39*10^-4mm³/n*m。

由以上可以看出，本发明实施例得到的铝碳基复合材料的耐磨性能优异。本发明制得的铝/碳基复合材料的耐磨性与现有的铝基复合材料相比，提高了至少10％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。