CN108251707A

CN108251707A - 一种石墨烯铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN108251707A
Application number: CN201810161773.6A
Authority: CN
Inventors: 李正坤; 李文涛
Original assignee: Weihai Nanhai Carbon Materials Science And Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Shandong Shengyun International Trade Co., Ltd.
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2018-07-06

Abstract

本发明涉及一种石墨烯铝合金及其制备方法，解决了现有技术铝合金电线重量大、电导率低、韧性差的技术问题。本发明提供一种石墨烯铝合金，按重量百分数计，由以下原材料组分制成：氧化石墨烯0.4％～0.9％，镁粉0.4％～0.8％，硅粉0.1％～0.8％，铜粉0.3％～0.5％，钛粉0.07％～1.4％，铬粉0.04％～0.1％，锌粉0.05％～0.12％，锆粉0.05％～0.12％，余量为铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8，同时还提供其制备方法。本发明广泛应用于铝合金制造领域。

Description

一种石墨烯铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金制造领域，具体涉及一种石墨烯铝合金及其制备方法。

背景技术

传统上，人们已经使用被称作束线的结构体作为运输设备(例如机动车和飞机)以及工业设备(例如机器人)的布线结构，其中所述束线包括与端子连接的多根电线。传统上，构成束线中电线导体的材料主要为具有优异导电率的铜或者诸如铜合金之类的铜基材料。

随着最近机动车辆在性能和功能方面的快速增强，以及安装在车辆上的各种电气设备、控制设备等的增多，用于这些设备的电线也趋向于增加。与此同时，近来人们为了保护环境，一直期望提高机动车辆和飞机的燃油经济性。降低重量能够提高燃油经济性。

铝是分布较广的元素，在地壳中含量仅次于氧和硅，是金属中含量最高的。纯铝密度较低，为2.7g/cm³，有良好的导热、导电性(仅次于Au、Ag、Cu)，延展性好、塑性高，可进行各种机械加工。铝的化学性质活泼，在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的氧化膜，因而具有良好的耐蚀性。鉴于此，为了降低电线的重量，人们一直研究了使用比重约为铜的1/3的铝作为导体。但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。相同规格的铝和铜作为导线，使用了纯铝作电线的导体，与铜基材料相比，纯铝的强度和抗疲劳性较低，因此，纯铝难以应用于常用的电线导体。目前已有公开了电线由强度高于纯铝的强度的铝合金制成。

电线中的导体需要具有较高的导电率。而目前常规铝合金电线并不具有足够高的导电率。此外，具有高强度的铝合金电线的韧性不足。传统研究电线导体的铝合金的时候，主要使是提高其强度，而在韧性(如伸长率等)方面的研究尚不充分。高空架线在长期使用的情况下也容易造成弯曲和断裂，铝作为结构材料，如何进一步提高铝合金强度是研究的重要方向之一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足，提供一种配伍科学，协同增效，具有重量轻、高强度、高韧性和导电率高的石墨烯铝合金及其制备方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种石墨烯铝合金，按重量百分数计，由以下原材料组分制成：氧化石墨烯0.4％～0.9％，镁粉0.4％～0.8％，硅粉0.1％～0.8％，铜粉0.3％～0.5％，钛粉0.07％～1.4％，铬粉0.04％～0.1％，锌粉0.05％～0.12％，锆粉0.05％～0.12％，余量为铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8。

优选的，按重量百分数计，原材料由以下组分组成：氧化石墨烯0.5％～0.8％，镁粉0.5％～0.7％，硅粉0.2％～0.7％，铜粉0.4％～0.5％，钛粉0.1％～1％，铬粉0.06％～0.08％，锌粉0.07％～0.1％，锆粉0.07％～0.1％，余量为铝和不可避免的杂质。

优选的，按重量百分数计，原材料由以下组分组成：氧化石墨烯0.7％，镁粉0.6％，硅粉0.4％，铜粉0.4％，钛粉1％，铬粉0.07％，锌粉0.8％，锆粉0.8％，余量为铝和不可避免的杂质。

优选的，氧化石墨烯粉末中固定碳含量≥99.5％，氧化石墨烯粉末的粒度为240～270目。

优选的，铝中铝含量大于或者等于99.7％。

上述的一种石墨烯铝合金的制备方法，步骤如下：

1)按重量百分数称取所需原材料组成为：氧化石墨烯，镁粉，硅粉，铜粉，钛粉，铬粉，锌粉，锆粉，铝粉；

2)石墨烯/铜复合导电材料的制备：将步骤1)称取的氧化石墨烯粉末、铜粉、锌粉和锆粉混合均匀后，压实并密封，再用压力机压制成预制块；将预制块放至于真空管式炉中，抽真空后，通入氢气氩气混合气至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度700～850℃保温反应；保温结束后，自然冷却至室温，从炉中取出，得石墨烯/铜复合导电材料；

3)先将步骤1)称取铝粉、镁粉、硅粉、钛粉、铬粉混合均匀后，再向其中加入将步骤2)制得的石墨烯/铜复合导电材料，得混合材料；

4)将步骤3)制得的混合材料压实并密封，再在压力机作用下，将其压制成预制块；

5)将步骤4)压制好的预制块移入到模具中，将其放至于真空管式炉中，抽真空后，通入氢气氩气混合气至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度650～750℃保温反应5h，保温结束后，迅速冷却至室温，最后在常温下自然养护2d后，出模，得石墨烯铝合金。

优选的，步骤2)中，氢气氩气混合气中氢气的体积分数为7％～10％。

优选的，步骤2)中，保温温度为700～850℃，时间20～100min。

优选的，步骤2)中压力机压力为100～120MPa；步骤4)中压力机压力为100～120MPa。

优选的，步骤5)中，迅速冷却的降温速度为20～30℃/s。

本发明的有益效果：本发明配伍科学，协同增效，本发明石墨烯铝合金具有重量轻、高强度、高韧性和导电率高。

(1)石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，能够展现出一系列不同寻常的物理性能，被称为是世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料。石墨烯具有较高的强度、韧性和优异的导电性，可以降低内阻，提高循环稳定性。因其特殊的二维结构，引起了物理、化学和材料学界的轰动，有关石墨烯的基础研究和工程应用研究成为近几年的研究热点之一，是一种很好的合金复合材料。

首先采用熔渗的方法将氧化石墨烯粉末、铜粉、锌粉和锆粉制备成石墨烯/铜复合材，解决现有技术总石墨烯与在合金中难以熔合、界面结合性差的问题，同时还制备过程中利用还原气氛，不但有效将金属中的杂质去除，还巧妙的将氧化石墨烯还原成稳定石墨烯，更有利于石墨烯结构优势的充分发挥。一方面石墨烯的加入提高其导电率，另一方面形成的铜锌锆合金相成联通结构，对电子传输的阻碍作用减少，使合金的导电性能显著提高。

(2)本发明配伍科学，协同增效，尽管Mg会导致导电率的大幅下降，但同时会非常有效地提高强度。Cu可导致导电率小幅降低，并可提高强度。虽然提高铝合金中的Mg、Si和Cu的含量会使铝合金的强度提高，但同时会使其导电率和韧性降低，并会使铝合金在拉丝过程中线材容易发生断裂。所以，将Mg的含量限定为0.8％以下，Si的含量限定为0.8％以下，Cu的含量限定为0.5％以下。Mg和Si的质量比镁粉/硅粉满足0.5≤镁粉/硅粉≤4.7：当镁粉/硅粉小于0.5时，则无法提供充分提高强度的效果，而当镁粉/硅粉大于4.7时，则将会导致导电率大幅降低。Cu与Zn的共同加入，其中1.5≤铜粉/锌粉≤8时，使本发明石墨烯铝合金具有优良的导热性和耐腐蚀性，进一步提高其导电性能。

Ti是周期表中第IVB类元素，钛在地壳中含量较丰富，密度小，其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，是目前所有工业金属材料中最高的。液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。本发明铝合金加入Ti，一方面，可显著提高铝合金的伸长性能。另一方面，使铝合金在制备过程中晶体结构细化，微细晶体结构可使强度得以增加。为了具有充分的晶体结构细化效果，所包含的钛粉含量钛粉0.07％～1.4％。Ti含量高于1.4％时会使细化效果饱和，既造成不必要的浪费而且还会造成导电率降低。

(3)本发明采用石墨烯来增强的铝合金，在铝合金配方科学合理的基础上，采用特殊的制备方法，最终石墨烯的加入与铝合金协同增效，显著提高了基体的力学性能，明显提高铝合金的强度、韧性以及导电性能，可广泛应用于结构铝材和高空架线导电线方面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的生产方法；所使用的原料，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

实施例1

制备一种石墨烯铝合金，包括以下步骤：

1)按按重量百分数称取所需原材料组成为：固定碳含量≥99.5％且粒度为240目的氧化石墨烯0.4％，镁粉0.4％，硅粉0.1％，铜粉0.3％，钛粉0.07％，铬粉0.04％，锌粉0.05％，锆粉0.05％，余量为含量等于99.7％的铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8。

2)石墨烯/铜复合导电材料的制备：将步骤1)称取的氧化石墨烯粉末、铜粉、锌粉和锆粉混合均匀后，压实并密封，再用压力机以100MPa压力作用下压制成预制块；将预制块至于真空炉中，先抽真空后，再通入氢气体积分数为7％氢气氩气混合气中，至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度700℃，保温反应20min，保温结束，自然冷却至室温后，从炉中取出，得石墨烯/铜复合导电材料。

4)将步骤3)制得的混合材料压实并密封，再用压力机以100MPa压力作用下，将其压制成预制块。

5)将步骤4)压制好的预制块移入到模具中，将其放至于真空管式炉中，抽真空后，通入氢气氩气混合气至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度650℃保温反应5h，保温结束后，以速度20℃/s降温速度迅速冷却至室温，最后在常温下自然养护2d后，出模，得石墨烯铝合金。

实施例2

制备一种石墨烯铝合金，包括以下步骤：

1)按按重量百分数称取所需原材料组成为：固定碳含量≥99.5％且粒度为270目的氧化石墨烯0.9％，镁粉0.8％，硅粉0.8％，铜粉0.5％，钛粉1.4％，铬粉0.1％，锌粉0.12％，锆粉0.12％，余量为含量大于或者等于99.7％的铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8。

2)石墨烯/铜复合导电材料的制备：将步骤1)称取的氧化石墨烯粉末、铜粉、锌粉和锆粉混合均匀后，压实并密封，再用压力机以120MPa压力作用下压制成预制块；将预制块至于真空炉中，先抽真空后，再通入氢气体积分数为10％氢气氩气混合气中，至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度850℃，保温反应100min，保温结束，自然冷却至室温后，从炉中取出，得石墨烯/铜复合导电材料。

3)先将步骤1)称取铝粉、镁粉、硅粉、钛粉、铬粉混合均匀后，再向其中加入将步骤2)制得的石墨烯/铜复合导电材料，得混合材料。

4)将步骤3)制得的混合材料压实并密封，再用压力机以120MPa压力作用下，将其压制成预制块。

5)将步骤4)压制好的预制块移入到模具中，将其放至于真空管式炉中，抽真空后，通入氢气氩气混合气至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度750℃保温反应5h，保温结束后，以速度30℃/s降温速度迅速冷却至室温，最后在常温下自然养护2d后，出模，得石墨烯铝合金。

实施例3

制备一种石墨烯铝合金，包括以下步骤：

1)按重量百分数称取所需原材料组成为：固定碳含量≥99.5％且粒度为250目的氧化石墨烯0.5％，镁粉0.5％，硅粉0.2％，铜粉0.4％，钛粉0.1％，铬粉0.06％，锌粉0.07％，锆粉0.07％，余量为含量大于或者等于99.7％的铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8。

2)石墨烯/铜复合导电材料的制备：将步骤1)称取的氧化石墨烯粉末、铜粉、锌粉和锆粉混合均匀后，压实并密封，再用压力机以110MPa压力作用下压制成预制块；将预制块至于真空炉中，先抽真空后，再通入氢气体积分数为8％氢气氩气混合气中，至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度770℃，保温反应60min，保温结束，自然冷却至室温后，从炉中取出，得石墨烯/铜复合导电材料。

4)将步骤3)制得的混合材料压实并密封，再用压力机以110MPa压力作用下，将其压制成预制块。

5)将步骤4)压制好的预制块移入到模具中，将其放至于真空管式炉中，抽真空后，通入氢气氩气混合气至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度700℃保温反应5h，保温结束后，以速度25℃/s降温速度迅速冷却至室温，最后在常温下自然养护2d后，出模，得石墨烯铝合金。

实施例4

制备一种石墨烯铝合金，包括以下步骤：

1)按重量百分数称取所需原材料组成为：固定碳含量≥99.5％且粒度为260目的氧化石墨烯0.8％，镁粉0.7％，硅粉0.7％，铜粉0.5％，钛粉1％，铬粉0.08％，锌粉1％，锆粉0.1％，余量为含量大于或者等于99.7％的铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8。

2)石墨烯/铜复合导电材料的制备：将步骤1)称取的氧化石墨烯粉末、铜粉、锌粉和锆粉混合均匀后，压实并密封，再用压力机以110MPa压力作用下压制成预制块；将预制块至于真空炉中，先抽真空后，再通入氢气体积分数为10％氢气氩气混合气中，至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度850℃，保温反应60min，保温结束，自然冷却至室温后，从炉中取出，得石墨烯/铜复合导电材料。

5)将步骤4)压制好的预制块移入到模具中，将其放至于真空管式炉中，抽真空后，通入氢气氩气混合气至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度750℃保温反应5h，保温结束后，以速度25℃/s降温速度迅速冷却至室温，最后在常温下自然养护2d后，出模，得石墨烯铝合金。

实施例5

制备一种石墨烯铝合金，包括以下步骤：

1)按重量百分数称取所需原材料组成为：固定碳含量≥99.5％且粒度为260目的氧化石墨烯0.7％，镁粉0.6％，硅粉0.4％，铜粉0.4％，钛粉1％，铬粉0.07％，锌粉0.8％，锆粉0.8％，余量为含量大于或者等于99.7％的铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8。

2)石墨烯/铜复合导电材料的制备：将步骤1)称取的氧化石墨烯粉末、铜粉、锌粉和锆粉混合均匀后，压实并密封，再用压力机以110MPa压力作用下压制成预制块；将预制块至于真空炉中，先抽真空后，再通入氢气体积分数为10％氢气氩气混合气中，至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度800℃，保温反应60min，保温结束，自然冷却至室温后，从炉中取出，得石墨烯/铜复合导电材料。

对照组1

制备一种铝合金，包括以下步骤：

1)按重量百分数称取所需原材料组成为：镁粉0.6％，硅粉0.4％，铜粉0.4％，钛粉1％，铬粉0.07％，锌粉0.8％，锆粉0.8％，余量为含量大于或者等于99.7％的铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8。

2)铜复合导电材料的制备：将步骤1)称取铜粉、锌粉和锆粉混合均匀后，压实并密封，再用压力机以110MPa压力作用下压制成预制块；将预制块至于真空炉中，先抽真空后，再通入氢气体积分数为10％氢气氩气混合气中，至真空度为0MPa后，开始升温至保温温度800℃，保温反应60min，保温结束，自然冷却至室温后，从炉中取出，得铜复合导电材料。

3)先将步骤1)称取铝粉、镁粉、硅粉、钛粉、铬粉混合均匀后，再向其中加入将步骤2)制得的铜复合导电材料，得混合材料。

下面通过具体实验报告来进一步说明本发明的石墨烯铝合金的性能。

1.对象和方法

(1)受试物：按本发明实施例1～实施例5所给制备方法生产出的石墨烯铝合金实验样品、对照组1制备的不含石墨烯的铝合金对照样品。

(2)受试对象：将受试物铝合金材料以相同的拉丝工艺，制成横截面形状为圆形，直径为1mm的铝合金线进行一下抗拉强度、伸长率和导电率的性能测试，结果见表1。

表1对铝合金线进行的性能测试结果

样品	抗拉强度(MPa)	伸长率(％)	导电率(IACS)
				实施例1	353	27	62％
实施例2	350	28	64％
				实施例3	356	26	65％
实施例4	352	28	68％
				实施例5	366	39	69％
对照组1	210	12	54％

2.实验小结

由表1对实施例1～实施例5所给制备方法生产出的石墨烯铝合金实验样品、对照组1制备的不含石墨烯的铝合金对照样品进行性能测试结果可知，实施例1～5石墨烯铝合金的室温拉伸强度大于等于350Mpa，伸长率为27％～39％，导电率(IACS)为62％～69％，与对照组未添加石墨烯的铝合金室温拉伸强度210Mpa，伸长率为12％，导电率(IACS)为54％相比，抗拉强度、伸长率和导电率的性能均显著提高。其中实施例5配方参数最优，室温拉伸强度达到366Mpa，伸长率为39％，导电率(IACS)为69％，均可以满足电线的要求。

通常情况下，强度的提高会导致韧性和电导率降低。而本发明的石墨烯铝合金的拉伸强度保证的同时具有较高的伸长率和导电率，可以满足目前对电线的要求。本发明石墨烯铝合金材料，适用于要求轻量化的各种领域，特别是用于为了提高燃油经济性而希望进一步减轻重量的机动车辆中，以及适合高空架线在长期使用的情况下容易造成弯曲和断裂的情况。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种石墨烯铝合金，其特征在于，按重量百分数计，由以下原材料组分制成：氧化石墨烯0.4％～0.9％，镁粉0.4％～0.8％，硅粉0.1％～0.8％，铜粉0.3％～0.5％，钛粉0.07％～1.4％，铬粉0.04％～0.1％，锌粉0.05％～0.12％，锆粉0.05％～0.12％，余量为铝和不可避免的杂质，且其中0.5≤镁粉/硅粉≤4.7，1.5≤铜粉/锌粉≤8。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯铝合金，其特征在于，按重量百分数计，所述原材料由以下组分组成：氧化石墨烯0.5％～0.8％，镁粉0.5％～0.7％，硅粉0.2％～0.7％，铜粉0.4％～0.5％，钛粉0.1％～1％，铬粉0.06％～0.08％，锌粉0.07％～0.1％，锆粉0.07％～0.1％，余量为铝和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯铝合金，其特征在于，按重量百分数计，所述原材料由以下组分组成：氧化石墨烯0.7％，镁粉0.6％，硅粉0.4％，铜粉0.4％，钛粉1％，铬粉0.07％，锌粉0.8％，锆粉0.8％，余量为铝和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1～3任何一项所述的一种石墨烯铝合金，其特征在于，所述氧化石墨烯粉末中固定碳含量≥99.5％，氧化石墨烯粉末的粒度为240～270目。

5.根据权利要求1～3任何一项所述的一种石墨烯铝合金，其特征在于，所述铝中铝含量大于或者等于99.7％。

6.根据权利要求1～5任何一项所述的一种石墨烯铝合金的制备方法，其特征在于，步骤如下：

7.根据权利要求6所述的一种石墨烯铝合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述氢气氩气混合气中氢气的体积分数为7％～10％。

8.根据权利要求6所述的一种石墨烯铝合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述保温温度为700～850℃，时间20～100min。

9.根据权利要求6所述的一种石墨烯铝合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述压力机压力为100～120MPa；步骤4)中，所述压力机压力为100～120MPa。

10.根据权利要求6所述的一种石墨烯铝合金的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述迅速冷却的降温速度为20～30℃/s。