CN109518030B - 一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，属于复合材料技术领域。将熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机采用真空双辊铸轧甩带方法获得铸轧薄带，接着将薄带剪切成小片，再经热压烧结、挤压拉拔或轧制工艺得到石墨烯增强铝基复合材料。本发明利用石墨烯独特的结构特性和高导电、导热等性能来提高铝基复合材料的综合性能，通过双辊铸轧甩带技术来实现石墨烯与铝基体的复合，以达到石墨烯均匀分布于基体中及连续、规模工业化生产目的。

Description

一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
铝基复合材料因具有高耐蚀性、低密度、高导电、高导热及良好的可加工性等优势，成为了当前金属基复合材料研究的主流之一。随着铝基复合材料应用环境的复杂性增加，尤其是在强电离辐射、高真空等恶劣环境，这些都对铝基复合材料的比模量、比强度、耐蚀性等性能提出了更高的要求，传统的颗粒及陶瓷纤维增强体已无法满足要求。
与传统的增强体(如颗粒增强体、陶瓷纤维、碳纤维、碳纳米管、石墨等)相比，石墨烯由于其表现出的高强度、高导电等优异性能，因而被视为金属基复合材料中理想的增强相。近年来，随着石墨烯生产制备工艺的不断改进和完善，低成本、高质量石墨烯的生产使得石墨烯复合材料的工业化应用成为可能。但石墨烯易于团聚而分布不均及在复合体中界面结合力较差的缺陷，仍然是制约石墨烯增强铝基复合材料应用中亟待解决的关键问题。
目前，工业化应用可行的制备方法主要为混粉+成形的组合方法（包括球磨+压柸+烧结、喷射+热挤压等）、直接真空熔炼+铸造法、石墨烯溶液浸泡+烘干+轧制成形。石墨烯增强铝基复合材料的研究大都仍停留在小批量试产阶段，主要是因为现有的方法都无法较好的解决上述问题，因而限制了石墨烯增强铝基复合材料的工业化应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法。本发明利用石墨烯独特的结构特性和高导电、导热等性能来提高铝基复合材料的综合性能，通过双辊铸轧甩带技术来实现石墨烯与铝基体的复合，以达到石墨烯均匀分布于基体中及连续、规模工业化生产目的。本发明通过以下技术方案实现。
一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，将熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机采用真空双辊铸轧甩带方法获得铸轧薄带，接着将薄带剪切成小片，再经热压烧结、挤压拉拔或轧制工艺得到石墨烯增强铝基复合材料。
所述熔融态的铝液纯度≥99.5wt%；石墨烯粉为市售产品，纯度≥95wt%。
具体步骤如下：
步骤1、在真空度为1×10-5Pa，将温度为700~760℃的熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机进行铸轧甩带，在轧辊铸轧时的转速为10~50m/min、预留辊缝值为0.5~3mm条件下，获得厚度为0.5~6mm、宽度为100~300mm的Al-石墨烯复合带，其中Al-石墨烯复合带中石墨烯粉含量为0.3wt%~15wt%；
步骤2、将步骤1得到的Al-石墨烯复合带剪切成边长为5~20mm的四方小片，四方小片质量为0.5~50Kg；
步骤3、将步骤2得到的四方小片进行两步热压烧结，第一步烧结温度为400~500℃，压强为400~600MPa，保温保压2~4h；第二步烧结温度为550~620℃，压强为800~1000MPa，保温保压时间1~3h，获得锭坯；
步骤4、将步骤3得到的锭坯经过挤压拉拔或轧制工艺制备石墨烯增强铝基复合材料，石墨烯增强铝基复合材料为Al-石墨烯丝材或带材。
上述步骤1中的熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机采用真空双辊铸轧甩带方法获得铸轧薄带制备示意图如图2所示，从图2中可以看出铝液1从两个铸轧辊3辊缝中间经过，石墨烯粉体2通过两个铸轧辊带入到两个铸轧辊3棍缝铝浇铸处，与铝复合后从两个铸轧辊3另外一端甩出，铸轧辊3上设有进行冷却降温的冷却水孔5，石墨烯粉体2上设有石墨烯加入口门阀4控制石墨烯粉体加入量。
本发明的有益效果是：
采用铸轧甩带技术能够将Al和石墨烯进行复合，获得高质量分布均匀的石墨烯增强铝基复合材料，且可应用现有设备进行连续规模化生产，工艺流程短，前期设备投入少。制备的Al-石墨烯复合材料，具有石墨烯分布均匀、材料致密度高、晶粒细小等特性。
附图说明
图1是本发明工艺流程图；
图2是本发明双辊薄带铸轧机制备薄带示意图。
图中：1-铝液，2-石墨烯粉体，3-铸轧辊，4-石墨烯加入口门阀，5-冷却水孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，该石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，将熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机采用真空双辊铸轧甩带方法获得铸轧薄带，接着将薄带剪切成小片，再经热压烧结、挤压拉拔或轧制工艺得到石墨烯增强铝基复合材料；熔融态的铝液纯度≥99.5wt%；石墨烯粉为市售产品，纯度≥95wt%。
具体步骤如下：
步骤1、在真空度为1×10-5Pa，将温度为700℃的熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机进行铸轧甩带，在轧辊铸轧时的转速为20m/min、预留辊缝值为0.5mm条件下，获得厚度为0.5mm、宽度为100mm的Al-石墨烯复合带，其中Al-石墨烯复合带中石墨烯粉含量为0.3wt%；
步骤2、将步骤1得到的Al-石墨烯复合带剪切成边长为5~20mm的四方小片，四方小片质量为0.5~50Kg；
步骤3、将步骤2得到的四方小片进行两步热压烧结，第一步烧结温度为500℃，压强为600MPa，保温保压4h；第二步烧结温度为600℃，压强为900MPa，保温保压时间2h，获得锭坯；
步骤4、将步骤3得到的锭坯经过传统的挤压拉拔或传统的轧制工艺制备石墨烯增强铝基复合材料，石墨烯增强铝基复合材料为Al-石墨烯丝材或带材。
实施例2
如图1所示，该石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，将熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机采用真空双辊铸轧甩带方法获得铸轧薄带，接着将薄带剪切成小片，再经热压烧结、挤压拉拔或轧制工艺得到石墨烯增强铝基复合材料；熔融态的铝液纯度≥99.5wt%；石墨烯粉为市售产品，纯度≥95wt%。
具体步骤如下：
步骤1、在真空度为1×10-5Pa，将温度为760℃的熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机进行铸轧甩带，在轧辊铸轧时的转速为10m/min、预留辊缝值为1.5mm条件下，获得厚度为1.5mm、宽度为200mm的Al-石墨烯复合带，其中Al-石墨烯复合带中石墨烯粉含量为3wt%；
步骤2、将步骤1得到的Al-石墨烯复合带剪切成边长为5~20mm的四方小片，四方小片质量为0.5~50Kg；
步骤3、将步骤2得到的四方小片进行两步热压烧结，第一步烧结温度为400℃，压强为400MPa，保温保压2h；第二步烧结温度为550℃，压强为800MPa，保温保压时间1h，获得锭坯；
步骤4、将步骤3得到的锭坯经过传统的挤压拉拔或传统的轧制工艺制备石墨烯增强铝基复合材料，石墨烯增强铝基复合材料为Al-石墨烯丝材或带材。
实施例3
如图1所示，该石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，将熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机采用真空双辊铸轧甩带方法获得铸轧薄带，接着将薄带剪切成小片，再经热压烧结、挤压拉拔或轧制工艺得到石墨烯增强铝基复合材料；熔融态的铝液纯度≥99.5wt%；石墨烯粉为市售产品，纯度≥95wt%。
具体步骤如下：
步骤1、在真空度为1×10-5Pa，将温度为720℃的熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机进行铸轧甩带，在轧辊铸轧时的转速为50m/min、预留辊缝值为3mm条件下，获得厚度为3mm、宽度为300mm的Al-石墨烯复合带，其中Al-石墨烯复合带中石墨烯粉含量为15wt%；
步骤2、将步骤1得到的Al-石墨烯复合带剪切成边长为5~20mm的四方小片，四方小片质量为0.5~50Kg；
步骤3、将步骤2得到的四方小片进行两步热压烧结，第一步烧结温度为450℃，压强为500MPa，保温保压3h；第二步烧结温度为620℃，压强为1000MPa，保温保压时间3h，获得锭坯；
步骤4、将步骤3得到的锭坯经过传统的挤压拉拔或传统的轧制工艺制备石墨烯增强铝基复合材料，石墨烯增强铝基复合材料为Al-石墨烯丝材或带材。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：将熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机采用真空双辊铸轧甩带方法获得铸轧薄带，接着将薄带剪切成小片，再经热压烧结，挤压拉拔或轧制工艺得到石墨烯增强铝基复合材料；
所述采用真空双辊铸轧甩带方法具体为：在真空度为1×10-5Pa，将温度为700~760℃的熔融态的铝液与石墨烯粉共同经过双辊轧机进行铸轧甩带，在轧辊铸轧时的转速为10~50m/min、预留辊缝值为0.5~3mm条件下，获得厚度为0.5~6mm、宽度为100~300 mm的Al-石墨烯复合带，其中Al-石墨烯复合带中石墨烯粉含量为0.3wt%~15wt%；
所述Al-石墨烯复合带剪切成边长为5~20mm的四方小片，四方小片质量为0.5~50kg；
所述四方小片进行两步热压烧结，第一步烧结温度为400~500℃，压强为400~600MPa，保温保压2~4h；第二步烧结温度为550~620℃，压强为800~1000MPa，保温保压时间1~3h，获得锭坯。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述熔融态的铝液纯度≥99.5wt%；石墨烯粉为市售产品，纯度≥95wt%。
3.根据权利要求2所述的石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述锭坯经过挤压拉拔或轧制工艺制备石墨烯增强铝基复合材料，石墨烯增强铝基复合材料为Al-石墨烯丝材或带材。
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