CN110331307A - 一种石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料及其制备方法，所述材料以Al‑20Sn铝基轴承合金为基体，镀铜石墨烯和镀铜碳纳米管为增强体，具体制备步骤如下：步骤一、采用化学镀在石墨烯和碳纳米管表面进行镀铜处理；步骤二、采用球磨处理制备镀铜石墨烯/镀铜碳纳米管/铝‑锡‑铜‑镁复合粉体；步骤三、镀铜石墨烯/镀铜碳纳米管/铝‑锡‑铜‑镁复合粉体经冷压成型后，采用真空热压烧结的方法进行铝基复合材料的制备。本发明采用球磨混粉热压烧结法可以制备出石墨烯及碳纳米管增强铝锡基复合材料，材料基体上分布着丝状的碳纳米管和片状的石墨烯，局部区域有石墨烯及碳纳米管的团聚。

Description

一种石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基轴承合金及其制备方法，具体涉及一种石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料及其制备方法。

背景技术

铝基轴承合金可分为Al-Sn、Al-Pb、Al-Si、Al-Zn和Al-Bi等合金系，而Al-Sn系轴承合金是应用最早的铝基轴承合金，并且在20世纪50、60年代在美国、英国、德国等国得到了突飞猛进的发展，这种材料与以往的铝合金轴承材料相比，其抗咬合性能更优，与巴氏合金轴承材料相比，承载能力更强，由于其性能优良、价格适中，因此得到广泛地应用。为了进一步提高铝锡轴承合金的综合性能，国内外研究人员进行了大量研究。

合金化是改善铝锡合金摩擦性能的主要方法之一，Felipe等研究了Cu、Si元素对轴承合金摩擦学性能的影响。Al-Sn-Cu合金中观察到最佳的耐磨性能与较粗的微观结构有关，而细化的微观结构改善了拉伸性能，表明拉伸性能和耐磨性能之间呈反向关系。秦胜毅等人在铝锡二元轴承合金的基础上加入第三元素Cu，并在铝基轴承合金表面镀覆一层成分为Sn8%～12%，Cu1%～3%，余量为Al的Al-Sn-Cu三元合金，研究表明：铝锡铜轴承合金具有较高的抗疲劳强度，较好的抗咬性、顺应性和嵌藏性。20世纪80年代初期，人们开发成功Al-Sn-Si系轴承合金材料，由于在Al-Sn合金基体中弥散析出Si硬质相，且分布均匀有助于提高轴承合金的耐磨性、抗疲劳强度和抗咬合性，降低合金的线膨胀系数，因而在工业发达国家被广泛地应用于汽车发动机主轴瓦及连杆瓦。Lu等研究了纳米Si、Sn 的加入对Al-12wt%Sn合金摩擦磨损性能的影响。研究发现Si颗粒的抛光作用与Sn富集产生的润滑作用以及合金硬度的增加，造成合金的摩擦系数与磨损量在加入Si 后同时降低。

机械合金化可以得到更小的晶粒和析出相，因此刘辛、曾美琴等采用球磨法制备了Al-20%Sn合金复合粉体，之后采用冷压成型和热压烧结技术制备得到铝基轴承合金，通过球磨转速、球料比和球磨时间的优化可以实现锡粉在铝粉中的均匀分散，通过烧结过程中温度和压力的控制可以降低锡相和Al-20%Sn合金的晶粒尺寸。后续该课题组又通过填MgH₂的方法，改善合金的结合性和耐磨性。

石墨烯自被发现以来，以其特有的力学性能和物理性能，受到了广泛的关注。单层墨烯的本征抗拉强度为130GPa，是目前强度最高的材料，多层石墨烯也有相似的力学性能。另外，更为关键的是，石墨烯具有良好的自润滑作用，在干摩擦条件下，可以显著降低材料的摩擦系数，这对减少零件的损耗意义重大，碳纳米管与石墨烯有相近的力学性能和物理性能，石墨烯与碳纳米管混杂有利于粉体在铝合金中的分散。然而，石墨烯及碳纳米管与铝粉之间的润湿性优劣，会严重影响石墨烯及碳纳米管在铝粉中的分散。如能通过石墨烯碳纳米管混杂实现铝基轴承摩擦系数降低，对铝基轴承的更广泛应用将具有显著意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料及其制备方法，采用石墨烯及碳纳米管混杂来实现轴承合金的改性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料，以Al-20Sn铝基轴承合金为基体，镀铜石墨烯和镀铜碳纳米管为增强体，其中：镀铜石墨烯的添加量为基体的0.1~3.0wt%；镀铜碳纳米管的添加量为基体的0.1~3.0wt%；镀铜石墨烯和镀铜碳纳米管的镀铜量没有要求，只要镀的均匀，覆盖全表面即可；Al-20Sn铝基轴承合金的成分为铝、锡、铜、镁，锡的含量为15~22wt%，铜的含量为0.5~1.5wt%，镁的含量为0.5~1.5wt%，余量为铝。

一种上述石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、采用化学镀在石墨烯和碳纳米管表面进行镀铜处理，得到镀铜石墨烯和镀铜碳纳米管；

步骤二、采用球磨处理制备镀铜石墨烯/镀铜碳纳米管/铝-锡-铜-镁复合粉体；

步骤三、镀铜石墨烯/镀铜碳纳米管/铝-锡-铜-镁复合粉体经冷压成型后，采用真空热压烧结的方法进行铝基复合材料的制备，其中：热压烧结的加热速率均为60℃/min，到达设定烧结温度（560~600℃）进行保压（5~10MPa）、保温预定时间（1~2小时）后停止加热，随炉冷却至室温，得到碳纳米管及石墨烯混杂增强铝基复合材料。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明采用球磨混粉热压烧结法可以制备出石墨烯及碳纳米管增强铝锡基复合材料，材料基体上分布着丝状的碳纳米管和片状的石墨烯，局部区域有石墨烯及碳纳米管的团聚。

2、本发明采用金相显微（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察复合材料的微观组织，利用用X射线衍射仪（XRD）对复合材料进行物相分析，通过摩擦试验测试摩擦系数变化，结果表明：通过高能球磨技术能够将石墨烯及碳纳米管分散到铝锡复合粉体中，利用热压烧结工艺可以得到石墨烯及碳纳米管增强铝锡基轴承材料。在添加0.5wt%碳纳米管基础上，添加石墨烯，在干摩擦的条件下，随着石墨烯含量的增加，铝基复合材料摩擦系数显著降低，波动范围也明显减小，当石墨烯添加量超过0.7wt%时，摩擦系数平均值降低至0.13，继续增加石墨烯添加量摩擦系数降低趋势变缓，当石墨烯含量为1.0wt.%时，复合材料摩擦系数平均值降低至0.12。

附图说明

图1为镀铜石墨烯SEM形貌与能谱分析，（a）SEM形貌，（b）能谱分析；

图2为石墨烯碳纳米管混杂增强铝基轴承材料的金相组织；

图3为石墨烯碳纳米管混杂增强铝基轴承材料的SEM像和石墨烯及碳纳米管EDS分析图，（a）SEM像，（b）EDS分析图；

图4为石墨烯碳纳米管混杂增强铝基轴承材料的SEM像和白色条状物EDS分析图，（a）SEM像，（b）EDS分析图；

图5为石墨烯碳纳米管混杂增强铝基轴承材料的XRD衍射图，（a）添加0.5wt%碳纳米管，（b）添加0.5wt.%碳纳米管和1.0wt%石墨烯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料的制备方法，所述方法利用化学镀制备镀铜石墨烯及碳纳米管，采用球磨分散、热压烧结的方法制备镀铜石墨烯及碳纳米管混杂改性铝基轴承材料，具体内容如下：

一、试验材料

热压烧结试验所用的铝粉、铜粉及镁粉为气雾化工艺制备的纯金属粉，纯度≥99.9%；石墨烯为石墨烯纳米片（graphene nanoflakes，GNFs，层数3~10层），直径约10~100μm，厚度在10nm以内，碳纳米管纯度为98%，为多壁碳纳米管；石墨烯表面化学镀所用的试剂为纯度≥99.9%五水硫酸铜。

二、试验方法

（1）采用化学镀在石墨烯和碳纳米管表面进行镀铜处理，具体步骤如下：首先采用10g/l的氯化亚锡进行敏化，然后采用0.6g/l的氯化钯进行活化处理，最后采用5g/l的硫酸铜进行化学镀，镀后进行抽滤干燥，得到镀铜石墨烯和镀铜碳纳米管。

（2）采用球磨处理制备石墨烯/铝-锡（20wt%）-铜（1wt%）-镁（0.5wt%）复合粉体，具体球磨处理步骤如下：采用无水乙醇和钢球进行球磨，控制球磨速度为每分钟200~500转，球磨时间为1~4小时，球料比5:1；经冷压成型后，采用真空热压烧结的方法进行铝基复合材料的制备，热压烧结加热速率均为60℃/min，设定烧结温度（560~600℃）进行保压（5~10MPa）、保温预定时间（1~2小时）后停止加热，随炉冷却至室温，得到碳纳米管及石墨烯混杂增强铝基复合材料。

（3）对制得的铝基复合材料进行微观组织观察、微区成分测定和物相分析，并在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，采用块状摩擦试样，测试段尺寸为2mm×3 mm×3mm，试验加载力为 20N，转速600r/min，摩擦时间为300s。

三、试验结果及分析

1、微观组织

图1（a）为镀铜后的石墨烯SEM形貌，可以看出石墨烯表面附着细小均匀的铜金属层，局部区域有铜颗粒聚集区存在，如图中黑色箭头所示。对镀铜石墨烯进行能谱分析，结果如图1（b）所示， 经EDS分析后，可以看出镀层主要含有C、Cu和O元素组成，其中C元素和Cu元素含量较高，分别为62.77 wt.%和27.90wt.%，其中C元素为石墨烯信息，铜元素含量较高，说明镀铜效果较好，纳米级的铜颗粒对石墨烯及碳纳米管在铝粉中分散具有重要意义。

图2为添加0.5wt.%镀铜碳纳米管和1.0wt.%镀铜石墨烯的金相图片，可以看出，在金相照片中存在三类典型的组织，第一类组织为灰白色基体，第二类为细丝状物，尺寸极为细小，长度波动较大，第三类组织为黑色的点状、团状或絮状物，该物质尺寸波动较大。

图3（a）为添加0.5wt.%镀铜碳纳米管和1.0wt.%镀铜石墨烯铝基轴承材料SEM组织，可以看出，该轴承材料基体为暗灰色，在基体的晶粒边界处分布细小颗粒状物和丝状物，分布较为弥散。图3（b）为黑色丝状物的成分分析，从图中可知，碳元素含量为75.42wt%，Al元素含量为23.80wt%，铜元素含量为0.39wt%，锡元素含量为0.20wt%，Mg元素含量为0.19wt%，因此可以确定该物质为经镀铜处理的石墨烯和碳纳米管混杂物质。铜元素为镀铜后残留的信息。

图4（a）为添加0.5wt.%镀铜碳纳米管和1.0wt.%镀铜石墨烯铝基轴承材料另一视野的SEM组织，可以看出，该轴承材料基体为暗灰色，在基体上分布着黑色块状物质和白色条状物，其中黑色块状物尺寸在5~10微米之间，应为石墨烯或碳纳米管团聚所造成，对白色条状物的能谱分析，可知该相主要成分为铝元素和锡元素，分析应该是富锡相，但是由于白色条状物比较细小，受周围Al基体影响，出现大量Al信息。

对不同配比的铝基复合材料进行Xrd物相组成分析，选取镀铜碳纳米管添加量为0.5wt.%，镀铜碳纳米管添加量0.5wt.%、镀铜石墨烯添加量为1.0wt.%的两种铝基复合材料进行分析。其中图5（a）为铝基复合材料X射线衍射图，可以看出图中主要为α-Al和β-Sn相的衍射峰，另外有强度较低的C衍射峰，图5（b）为添加镀铜纳米管和镀铜石墨烯的铝基复合材料的X射线衍射图，可以看出图中衍射峰仍为主要为α-Al和β-Sn相，C衍射峰与图5（a）衍射峰相比，强度有所增强。

2、摩擦行为

表1为添加不同量镀铜碳纳米管和镀铜石墨烯的铝锡基复合材料摩擦系数波动范围及平均值，可以看出，在添加0.5wt%镀铜碳纳米管后，添加0.5wt%镀铜石墨烯，铝锡基复合材料摩擦系数波动范围明显减小，摩擦系数平均值显著降低，由0.23降低至0.19，增加镀铜石墨烯数量至0.7wt%，摩擦系数继续降低至0.13，降低幅度最为显著，当镀铜石墨烯添加量增加至1.0wt%时，摩擦系数降低趋势变缓，仅仅降低了0.01，平均值为0.12。

表1 不同成分铝轴承材料摩擦系数表

摩擦系数	最大值	最小值	平均值
				0.5wt%镀铜碳纳米管	0.37	0.09	0.23
0.5wt%镀铜碳纳米管+0.5wt%镀铜石墨烯	0.32	0.06	0.19
				0.5wt%镀铜碳纳米管+0.7wt%镀铜石墨烯	0.23	0.03	0.13
0.5wt%镀铜碳纳米管+1.0wt%镀铜石墨烯	0.21	0.02	0.12

实验中的石墨烯作为铝基复合材料增强体，在铝基复合材料的表面发生磨损后，裸露于材料表面，很容易因摩擦力和摩擦热作用下，石墨烯层间发生滑动，在表面形成一层石墨烯膜，从而使材料摩擦系数降低，因此具有自润滑性能，而多壁碳纳米管，在摩擦过程中，发生滚动，也容易在磨损表面形成一层碳膜，降低摩擦系数，与其他微米级石墨类增强体相比，在相同质量分数的条件下，石墨烯及碳纳米管，更加细小弥散，因此更易于形成连续的碳膜，对材料摩擦系数降低具有显著作用，本发明所选择的Al-20Sn铝基轴承合金，添加石墨烯及碳纳米管后，可以实现在干摩擦条件下，实现润滑作用，在其以后的应用中，具有显著的实际意义。

Claims (9)

1.一种石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料，其特征在于所述材料以Al-20Sn铝基轴承合金为基体，镀铜石墨烯和镀铜碳纳米管为增强体，其中：镀铜石墨烯的添加量为基体的0.1~3.0wt%；镀铜碳纳米管的添加量为基体的0.1~3.0wt%。

2.根据权利要求1所述的石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料，其特征在于所述Al-20Sn铝基轴承合金的成分为铝、锡、铜、镁，锡的含量为15~22wt%，铜的含量为0.5~1.5wt%，镁的含量为0.5~1.5wt%，余量为铝。

3.根据权利要求1所述的石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料，其特征在于所述镀铜石墨烯的添加量为基体的0.5wt%。

4.根据权利要求1所述的石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料，其特征在于所述镀铜石墨烯的添加量为基体的0.7wt%。

5.根据权利要求1所述的石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料，其特征在于所述镀铜石墨烯的添加量为基体的1.0wt%。

6.根据权利要求1所述的石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料，其特征在于所述镀铜碳纳米管的添加量为基体的0.5wt%。

7.一种权利要求1-6任一权利要求所述石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、采用化学镀在石墨烯和碳纳米管表面进行镀铜处理，得到镀铜石墨烯和镀铜碳纳米管；

步骤二、采用球磨处理制备镀铜石墨烯/镀铜碳纳米管/铝-锡-铜-镁复合粉体；

步骤三、镀铜石墨烯/镀铜碳纳米管/铝-锡-铜-镁复合粉体经冷压成型后，采用真空热压烧结的方法进行铝基复合材料的制备，得到碳纳米管及石墨烯混杂增强铝基复合材料。

8.根据权利要求7所述的石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料的制备方法，其特征在于所述球磨处理的速度为每分钟200~500转，时间为1~4小时，球料比为5:1。

9.根据权利要求7所述的石墨烯碳纳米管混杂增强铝轴承材料的制备方法，其特征在于所述热压烧结的加热速率为60℃/min，烧结温度为560~600℃，压力为5~10MPa，保温时间为1~2小时。