CN109112343A - 一种石墨烯铝合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有色金属材料加工工程技术领域，特别涉及一种石墨烯铝合金的制备方法，包括如下步骤：在铝合金板材中钻孔，然后在孔中填充石墨烯粉末，采用搅拌摩擦法搅拌整块铝合金板的钻孔面和/或反面，制得石墨烯铝合金；本发明操作简便，工装简单，在实际工业生产中易于实现，具有很强应用价值。该工艺方法可以制备大型构件，有利于扩展石墨烯铝合金的应用范围。使用该工艺方法制备的石墨烯铝合金力学性能和电导率远高于普通铝合金基体材料，特别适合大件型材的制备。

Description

一种石墨烯铝合金的制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属材料加工工程技术领域，特别涉及一种石墨烯铝合金的制备方法。
背景技术
石墨烯具有极高的弹性模量和强度、极大的比表面积、低密度和很高的热稳定性等优异性能。将石墨烯纳米片加入到铝合金基体以增强铝基复合材料是近年来开发出的石墨烯的工程应用之一。少量的石墨烯纳米材料的加入即可显著提高铝合金的硬度、抗拉强度、屈服强度和电导率等性能。
目前制备石墨烯铝合金的方法有热压烧结、粉末冶金等固态法，具有代表性的方法有五种，分别为：热压烧结法、冷压烧结法、压坯轧制法、搅拌复合法和挤压浸渗法，这种方法易于实现石墨烯的均匀分散，制备铝合金中的石墨烯质量分数也较高，但其依然存在容易引入杂质、成品品质不高的难题，且此法成本高、难以批量生产。
采用上述方法制备的石墨烯增强铝基复合材料确实可以提高材料的力学性能，但是由于制备的过程比较繁琐，对试验设备有较高的要求，生产成本相对太高，故多用于实验室小试，尚不能实现工业化生产。由于石墨烯的密度小，质量轻，采用传统的配料法熔炼容易使石墨烯悬浮于铝合金表面，石墨烯难于熔于铝基体中。
石墨烯增强铝基复合材料研究现状及其界面问题热力学分析，黄朴等，铸造技术，Vol39No.08，记载了现有技术中常用的石墨烯增强铝合金的方法，其大部分都是采用将石墨烯和铝合金的粉料或者熔体进行混合加热，使石墨烯扩展进入铝合金中，但是这种方法需要二次熔融，增加了引入杂质的可能性，成品品质不佳，对于一些大件来说，其更加难以做到均匀分散。
中国专利申请号为201710172321.3公开了一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，其采用无电镀铜石墨烯为增强材料，在2块相互配合的铝合金板材中的一块铝合金板材的侧面加工出凹槽，将增强材料放入凹槽内，然后将铝合金板材贴合固定，从附图3和说明书内容可以看出，其是通过摩擦使板材内部的增强材料渗透入铝合金板材中，其渗透效果欠佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种石墨烯铝合金的制备方法，其具有强度高，电导率高的优点。
本发明的内容为一种石墨烯铝合金的制备方法，包括如下步骤：
在铝合金板材中钻孔，然后在孔中填充石墨烯粉末，采用搅拌摩擦法搅拌整块铝合金板的钻孔面和/或反面，制得石墨烯铝合金。
所述石墨烯的重量为石墨烯和铝合金板材总重量的0.001-10％。
所述铝合金板材的厚度为1-20mm。
所述搅拌摩擦法的搅拌速度为250-1500r/min，搅拌头的行进速度为10-150mm/min。
所述孔为盲孔或/和通孔。
所述盲孔的深度为铝合金板材的厚度的10-99％，优选为80-95％，最优选为90-95％。
所述搅拌摩擦法的摩擦头的直径大于孔的孔径。
所述孔均匀的分布在铝合金板材的表面。
所述孔的面积为铝合金板材的面积的0.002-0.02％。
本发明的石墨烯为普通石墨烯，所述的石墨烯的密度为0.1-1.06g/cm2。
采用搅拌摩擦的方法利用搅拌头的高速旋转使铝合金基体产生强烈的塑性变形，将石墨烯粉末均匀的掺入混合到铝合金基体中。这种方法工艺简单、成本低，在工艺上易于实现。
本发明的有益效果是，铝合金由于具有高比强度、高耐蚀性、高导热性和高电导率等优点，在军、民等各个领域均有广泛的应用。而石墨烯则具有更高的比强度和电导率，把石墨烯加入到铝合金中将进一步提高铝合金的比强度、电导率等性能。发明人采用了这种方法把石墨烯成功的加入到了铝合金中，研究结果表明，本发明的这种加入石墨烯的方法制备得到的铝合金可以大大提高铝合金的强度和电导率，相比其他石墨烯增强铝合金的方法，其强度至少提高10-15％，电导率至少提高5-10％。
该工艺方法操作简便，工装简单，在实际工业生产中易于实现，具有很强应用价值。该工艺方法可以制备大型构件，有利于扩展石墨烯铝合金的应用范围。使用该工艺方法制备的石墨烯铝合金力学性能和电导率远高于普通铝合金基体材料，特别适合大件型材的制备。
本发明的石墨烯位于铝合金板材的表面，而不是内部，其使用摩擦搅拌方法对其操作时，其摩擦的热量可以很好的进入石墨烯和铝合金板材的界面处，同时，其也可以很好的发散到空气中，通过石墨烯、空气和铝合金板材的共同作用，增强石墨烯铝合金板材的强度和电导率。
附图说明
图1为本发明的工艺步骤示意图。
图2为石墨烯铝合金铸态SEM和EDS图。
图3为石墨烯铝合金的均匀化态的SEM图。
图4为石墨烯铝合金轧制态的SEM图。
在图中，1铝合金板材，2石墨烯，2搅拌头。
具体实施方式
实施例1
本发明的内容包括如下步骤：
1)取8×500×500mm的3003铝合金板，在板上均匀钻200个孔，孔径为3mm，深度为7.5mm。
2)在每个孔中填充0.079g石墨烯粉末。
3)先从钻孔面搅拌铝合金板材，搅拌头直径为8mm，转速为500r/min，行进速度为50mm/min；然后采用相同的搅拌速度，从反面再次搅拌该铝合金板材，最终制得石墨烯质量分数为0.3％石墨烯铝合金。
实施例2
本发明的内容包括如下步骤：
1)取5×1000×1000mm的5083铝合金板，在板上均匀钻2500个孔，孔径为3mm，深度为4.5mm。
2)在每个孔中填充0.048g石墨烯粉末。
3)先从钻孔面搅拌铝合金板材，搅拌头直径为8mm，转速为500r/min，行进速度为75mm/min；然后采用相同的搅拌速度，从反面再次搅拌该铝合金板材，最终制得石墨烯质量分数为0.9％石墨烯铝合金。
图1-3为相关产物的扫描照片。图1可以定性的分析合金中C元素的含量和含C相的形貌。由图1可知，铝合金中均存在大量的含C相，这种相与富Mn、Fe相缠结在一起，并呈现处骨架状结构。采用均匀化处理对这种结构的影响不大(见图2)，此制备方法制备的合金的SEM照片中，依然存在大量的骨架状含C组织。经过轧制，这种含C相也会被轧碎，并沿轧制方向分布，具体见图3。
对比例1
采用专利申请号为201710172321.3的方法，区别在于使用一般石墨烯而不是无电镀铜石墨烯制备得到石墨烯增强铝锰合金。
对比例2
采用专利申请号为201710172321.3的方法，区别在于使用一般石墨烯而不是无电镀铜石墨烯制备得打得到石墨烯增强铝镁合金。
用同样的方法检测上述实施例1-2，对比例1-2的产物的强度和电导率，得到如下表1所示的数据。
表1强度和电导率数据表
通过实施例1和对比例1的数据分析可知，同样的铝锰合金板材，本发明制备得到的产物比对比例1得到的产物，其强度高13％，电导率高14％。通过实施例2和对比例2的数据分析可知，同样的铝镁合金板材，本发明制备得到的产物比对比例2得到的产物，其强度高11％，电导率高16％。本发明的制备方法得到的产物的强度和电导率明显优于一般方法。

Claims (10)

1.一种石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
在铝合金板材中钻孔，然后在孔中填充石墨烯粉末，采用搅拌摩擦法搅拌整块铝合金板的钻孔面和/或反面，制得石墨烯铝合金。
2.如权利要求1所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述石墨烯的重量为石墨烯和铝合金板材总重量的0.001-10％。
3.如权利要求1或2所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述铝合金板材的厚度为1-20mm。
4.如权利要求1或2所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述搅拌摩擦法的搅拌速度为250-1500r/min，搅拌头的行进速度为10-150mm/min。
5.如权利要求1或2所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述孔为盲孔或/和通孔。
6.如权利要求5所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述盲孔的深度为铝合金板材的厚度的10-99％。
7.如权利要求6所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述盲孔的深度为铝合金板材的厚度的90-95％。
8.如权利要求1或2所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述搅拌摩擦法的摩擦头的直径大于孔的孔径。
9.如权利要求1或2所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述孔均匀的分布在铝合金板材的表面。
10.如权利要求1或2所述的石墨烯铝合金的制备方法，其特征是，所述孔的面积为铝合金板材的面积的0.002-0.02％。
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