CN111074104B - 一种高强高耐热碳纳米铝基复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强高耐热碳纳米铝基复合材料及制备方法，采用铝锆合金基础体系设计，石墨烯表面生长纳米氧化铝作为增强相，采用惰性气体将粉末吹入铝熔体，获得石墨烯均匀分布的铸造组织。石墨烯具有独特的二维褶皱表面，表面生长氧化铝纳米质点形成石墨烯@氧化铝，增加了石墨烯和铝熔体的润湿性，作为非均匀形核的质点细化晶粒，同时具有良好的化学稳定性，和Al3Zr相共同提升了铝基复合材料的热稳定性。本发明解决了限制1系合金接续金具应用过程中的强度和耐热性的不足难题，铸造法生产的铝基复合材料致密度达100％，强度提升30％以上，耐热性提高30‑50℃以上。

Description

一种高强高耐热碳纳米铝基复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及纳米相增强的铝基复合材料，具体涉及一种高强高耐热碳纳米铝基复合材料及制备方法。
背景技术
目前，耐张接续金具引流部件通常采用电工纯铝型材制造，在大规格线路运行中压接区难免松弛过早，进而引起温升。又因其耐热稳定性差，随温升幅度的增大，引流部件导电率、力学性能明显下降，蠕变松弛。如此恶性循环，直至异常温升，最终失效脱落，导致事故。而对于高电压等级、尤其是超高压、特高压等线路，会造成大面积的停电，后果严重，亟待解决。研究高性能金具材料用于耐张接续金具替代其中的纯铝材料，使耐张接续金具引流部件用材料同时具有高强度、高导电性、高热稳定性及高散热性，提高耐张接续金具散热性能、导通性能和抗松弛性能，是解决导线接续部位异常温升，保证导线压接握力长期稳定，提高线路运行安全可靠性的有效途径和关键方法，对提高输变电线路安全稳定性和降低运维成本具有重要的应用价值。
2004年英国科学家首次制备出了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体—石墨烯,其厚度只有0.3354nm，是目前世界上发现最薄的材料。石墨烯具有特殊的单原子层结构和极其优异的物理性质：与碳纳米管相当的杨氏模量1100GPa和断裂强度125GPa，且热导率约5000J/(m·K·s)、低热膨胀系数、零载流子浓度极限下的最小量子电导率等特性。低密度、且具有优异力学和热物理性能的石墨烯作为增强相添加到铝合金中，可获得轻质、高强度、高导电、高导热和高热稳定性的复合材料。
目前关于石墨烯增强金属基复合材料的报道不多，材料制备处于初步探索阶段。对于石墨烯增强的金属基复合材料，现有专利1(公开号104032154A；103938011A)采用放电等离子烧结制备石墨烯/金属基复合体材料。公开号102329976A“石墨烯增强金属基复合材料的制备方法”，将氧化石墨烯分散在片状金属表面，然后还原得到石墨烯/金属复合粉末，采用粉末冶金工艺进行致密化处理，制备石墨烯增强金属基复合材料。CN110331316A公开了一种高强耐热铝基复合材料导体材料及制备方法，采用将石墨烯和铝粉球磨混粉，石墨烯表面获得非晶氧化铝，采用粉末冶金烧结成型法制备复合材料。CN105385871A通过将表面包裹金属离子前驱物的纳米碳分散到铝粉中，热处理烧结获得混合粉末，采用常规的粉末冶金工艺生产耐热铝基复合材料。CN108396168A将石墨烯和铝粉混合、装罐、进行半固态挤压制备致密度98.5％的复合材料。目前，采用石墨烯铝基复合材料的制备方法主要以粉末冶金为主，也出现了包套挤压和半固态挤压等方法，模具成本较高，生产率低，难以批量和连续工业化生产。CN110295298A采用水热法合成氧化铝@石墨烯，化学反应过程复杂，氧化铝颗粒尺寸和粒径控制复杂，且容易带入杂质到铝液中降低导电性，不适合制备1系导体材料。
发明内容
本发明目的是解决接续金具用1系合金强度低和耐热性不足的问题，提供一种高强高耐热碳纳米铝基复合材料及制备方法，通过传统的合金化技术提高强度的同时大幅降低导电性的应用瓶颈问题，本发明制备方法工艺简单，成本较低，可设计性强，适合水冷半连续铸造或连铸连轧工艺生产连续大生产。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种高强高耐热碳纳米铝基复合材料，包括以下合金组份的质量百分比，还原氧化石墨烯0.01-0.09％，Zr 0.05-0.30％，Ti 0.010-0.015％，Fe≤0.08％，Si≤0.04％，余量为Al。
在上述铝基复合材料中，优选地，每种其余元素的质量百分比≤0.01％，所述其余元素为所述基复合材料中除还原氧化石墨烯、Zr、Ti、Fe、Si、Al以外的元素。
本发明还提供了一种接续金具，其是由上述高强高耐热碳纳米铝基复合材料制备得到的。
本发明还提供了上述铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)装炉前清炉，当电阻炉升温至390-400℃时将铝锭装入电阻炉中；优选地，所述铝锭的纯度大于99.7％。
(2)待铝锭全部熔化后，升温到720℃-740℃条件下加入Al-5Zr中间合金，熔体保温；
(3)采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉末吹入铝熔体中，吹入同时搅拌，直到粉末吹入完成；
(4)采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0-1.2％；精炼剂主要成分是氯盐和氟盐，并有其他盐类和化合物，经适当热筛分和混合处理粒度均匀，其对纯铝及铝合金的除气除渣有显著的效果。
(5)静止保温4-5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，出炉，进行水冷半连续铸造得到铸锭(优选铸造温度为720-740℃)；Al-5％Ti-B加入后形成TiAl3和TiB2，进一步细化晶粒，但添加量不宜太大。
(6)将铸锭进行锯切头和切尾，车削表面氧化皮，再进行挤压变形；
(7)采用固溶时效处理，得到铝基复合材料。
优选地，步骤(3)中还原氧化石墨烯@氧化铝的制备原料包括1-5层、片径为5-20微米的氧化石墨烯。
优选地，步骤(3)中还原氧化石墨烯@氧化铝的制备方法为：制备KH-550硅烷偶联剂溶液(优选地，醇水体积比0.5-2：6-14，KH-550在溶液中含量为0.1vol.％-1.5vol.％，静止溶解2-6小时)；在溶液中添加氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为0.5-3.0g/L，再加入氧化铝粉超声处理30-100min，纳米氧化铝粉粒径为5nm-100nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1000℃-1500℃，时间2-6小时，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体。更优选地，还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体中，氧化铝的质量分数为1.0-5.0％。
优选地，步骤(6)包括挤压加热的操作，挤压加热的温度为300-400℃，保温3-5小时，挤压比15-25：1，挤压速率2.0-4.0mm/min。
优选地，所述的步骤(7)中固溶温度550-600℃，保温时间2-6小时；时效温度200-300℃，保温时间24-60小时。
在铝熔体中加入Zr，可与Al反应生成Al3Zr相(如图1)，Al3Zr相呈现弥散分布的纳米相，阻止位错的滑移和攀沿，且可钉扎晶界和亚晶界，阻碍加热时位错重新排列成亚晶界及随后发展成大角度晶界的过程，从而推迟了再结晶的形核和长大，提高了铝合金基体的再结晶温度，提升耐热性。但Zr的添加量和添加工艺需严格控制，当达到一定的添加量会导致电导率大幅下降。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明采用普通铝合金熔炼和铸造设备进行生产，借用传统的惰性气体净化设备，将还原氧化石墨烯@氧化铝粉末吹入铝熔体中，进行半连续铸造或连铸连轧生产大尺寸构件，组织均匀、材料致密、工艺简单和生产效率高，避免了粉末冶金技术尺寸小、模具成本高、材料致密度低的缺点，适合工业化大规模生产。
(2)本发明通过将氧化还原石墨烯@氧化铝加入铝熔体中，能够使纳米氧化铝改善石墨烯与铝合金基体的界面润湿性，进而提高铝合金和石墨烯片间的界面结合能，有利于石墨烯均匀分散到铝熔体中，充分发挥石墨烯的增强效果，获得界面结合良好的铝基复合材料。另外，在氧化石墨烯还原过程中添加氧化铝，避免了还原氧化石墨烯在还原过程中团聚，且吹入熔体后还原氧化石墨烯的团聚也显著降低。
(3)铝合金通过合金化路径提高强度，都会导致导电性不同程度降低，因此细晶强化成为1系合金强化的重要手段，还原氧化石墨烯@氧化铝可作为非均匀形核的质点细化晶粒，强化合金，同时氧化还原石墨烯@氧化铝超大的比表面积，在非均匀形核的过程中，在石墨烯表面可聚集杂质，从而净化铝熔体，提升铝合金基体的导电性。
(4)极高强度的石墨烯，具有独特二维结构和超大的比表面积，相对于球形结构(富勒烯)或一维结构(碳纳米管)或零维结构(碳量子点)，在有效阻止裂纹扩展机制上更具优势，更好地提高铝合金的强度和塑性。且石墨烯高温下保持化学性质稳定，保证本发明提供的合金具有良好的耐热性，显著提升1系合金强度20％-40％，耐热性提高30℃-50℃，且导电率达61％IACS以上。
附图说明
图1为Al3Zr强化相透射电子显微形貌图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.09％，Zr 0.30％，Fe0.008％，Si 0.038％，Ti 0.010％，余量为Al。
还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液，乙醇：水的体积比为0.5：14，KH-550在溶液中含量为1.2vol.％体积分数，静止溶解2小时；在溶液中添加不大于5层、平均片径10微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为3.0g/L，再加入氧化铝粉超声处理60min，纳米氧化铝粉粒径为30nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1000℃，时间6h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体，其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的2％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；铝锭的纯度大于99.7％，待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为300℃，保温5小时，挤压比15：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度550℃，保温时间6小时；时效温度300℃，保温时间48小时，得到铝基复合材料。
实施例2
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.01％，Zr 0.1％，Ti0.010％，Fe 0.071％，Si 0.035％，其余元素每种≤0.01％，余量为Al。
预先合成还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液，乙醇：水体积比为1：9，KH-550在溶液中含量为1.5vol.％，静止溶解6小时；在溶液中添加不大于3层，平均片径15微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为0.5g/L，再加入氧化铝粉超声处理100min，纳米氧化铝粉粒径为5nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1500℃，时间2h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体，其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的1％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为400℃，保温3小时，挤压比25：1，挤压速率2.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度600℃，保温时间4小时；时效温度300℃，保温时间24小时，得到铝基复合材料。
实施例3
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.05％，Zr 0.3％，Ti0.010％，Fe 0.069％，Si 0.034％，其余元素每种≤0.01％，余量为Al。
预先合成还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液，乙醇：水的体积比为0.5：9，KH-550在溶液中含量为1.0vol.％体积分数，静止溶解4小时；在溶液中添加不大于3层，平均片径20微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为2g/L，再加入氧化铝粉超声处理80min，纳米氧化铝粉粒径为100nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1250℃，时间4h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体，其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的3％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将99.86％铝锭采用吊车电阻炉中；待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为350℃，保温4小时，挤压比20：1，挤压速率3.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度580℃，保温时间5小时；时效温度280℃，保温时间60小时，得到铝基复合材料。
实施例4
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.07％，Zr 0.2％，Fe0.069％，Si 0.035％，Ti 0.012％，余量为Al。
还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液，乙醇：水体积比为2：14，KH-550在溶液中含量为1.2vol.％体积分数，静止溶解5小时；在溶液中添加不大于3层，平均片径10微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为3.0g/L，再加入氧化铝粉超声处理60min，纳米氧化铝粉粒径为30nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1350℃，时间3h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体。其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的2％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；铝锭纯度99.80％，待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为300℃，保温5小时，挤压比20：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度550℃，保温时间6小时；时效温度300℃，保温时间48小时，得到铝基复合材料。
实施例5
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.06％，Zr 0.2％，Fe0.071％，Si 0.037％，Ti 0.010％，余量为Al。
还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液,乙醇：水的体积为2：12，KH-550在溶液中含量1.0vol.％体积分数，静止溶解5小时；在溶液中添加不大于3层，平均片径10微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为3.0g/L，再加入氧化铝粉超声处理60min，纳米氧化铝粉粒径为10nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1000℃，时间6h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体，其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的2％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；铝锭的纯度99.84％，待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为350℃，保温4小时，挤压比15：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度550℃，保温时间6小时；时效温度230℃，保温时间48小时，得到铝基复合材料。
实施例6
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.09％，Zr 0.1％，Fe0.073％，Si 0.032％，Ti 0.010％，余量为Al。
还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液,乙醇：水体积比为0.5：14，KH-550在溶液中含量1.2vol.％体积分数，静止溶解2小时；在溶液中添加不大于5层，平均片径10微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为3.0g/L，再加入氧化铝粉超声处理100min，纳米氧化铝粉粒径为30nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1200℃，时间6h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体，其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的2％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；铝锭的纯度99.85％，待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为300℃，保温5小时，挤压比15：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度550℃，保温时间6小时；时效温度260℃，保温时间60小时，得到铝基复合材料。
对比例1(不加还原氧化石墨烯@氧化铝和锆)
合金成分：以合金质量为100％计，Fe 0.073％，Si 0.032％，其余元素每种≤0.01％，余量为Al。开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后按钛含量0.010％加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉铸造，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为300℃，保温5小时，挤压比15：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶处理的温度550℃，保温时间4小时；时效处理的温度200℃，保温时间48小时，得到铝基材料。
对比例2(不加还原氧化石墨烯@氧化铝)
合金成分：以合金质量为100％计，Zr 0.3％，Fe 0.072％，Si 0.035％，其余元素每种≤0.01％，余量为Al。开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后按钛含量0.010％加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉铸造，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为300℃，保温5小时，挤压比15：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度550℃，保温时间4小时；时效温度200℃，保温时间48小时，得到铝基材料。
对比例3(不加锆元素)
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.07％，Fe 0.067％，Si0.032％，Ti 0.010％，余量为Al。
还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液,乙醇：水体积比为0.5：14，KH-550在溶液中含量1.2vol.％体积分数，静止溶解2小时；在溶液中添加不大于5层，平均片径10微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为3.0g/L，再加入氧化铝粉超声处理60min，纳米氧化铝粉粒径为30nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1000℃，时间6h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体，其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的2％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后按钛含量0.010％加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉铸造，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为300℃，保温5小时，挤压比15：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度550℃，保温时间6小时；时效温度200℃，保温时间48小时，得到铝基复合材料。
对比例4(提高铸造温度750℃)
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.07％，Zr 0.3％，Fe0.067％，Si 0.032％，Ti 0.010％，余量为Al。
还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液,乙醇：水体积比为0.5：14，KH-550在溶液中含量1.2vol.％体积分数，静止溶解2小时；在溶液中添加不大于5层，平均片径10微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为3.0g/L，再加入氧化铝粉超声处理60min，纳米氧化铝粉粒径为30nm，得到的溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1000℃，时间6h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体，其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的2％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，750℃出炉，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为300℃，保温5小时，挤压比15：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度550℃，保温时间6小时；时效温度200℃，保温时间48小时，得到铝基复合材料。
对比例5(降低固溶温度和时效温度)
合金成分：以合金质量为100％计，还原氧化石墨烯0.07％，Zr 0.3％，Fe0.067％，Si 0.032％，Ti 0.010％，余量为Al。
还原氧化石墨烯@氧化铝的制备工艺和配比如下：制备KH-550硅烷偶联剂溶液，乙醇：水体积比为0.5：14，KH-550在溶液中含量1.2vol.％体积分数，静止溶解2小时；在溶液中添加不大于3层，平均片径20微米的氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为3.0g/L，再加入氧化铝粉超声处理60min，纳米氧化铝粉粒径为30nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1000℃，时间6h，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体，其中，氧化铝质量为还原氧化石墨烯@氧化铝质量的2％。
开炉前清炉，如之前生产除1系外合金，需安排洗炉达到控制杂质元素含量的目的，当电阻炉升温至400℃时将铝锭采用吊车电阻炉中；待铝锭全部熔化，铝熔体升温到730℃，添加Al-5％Zr中间合金。采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入铝熔体中，采用搅拌工具充分搅拌熔体，直到还原氧化石墨烯@氧化铝粉吹入完成。采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1.0％；静止保温5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，720℃出炉，进行水冷半连续铸造铸锭。将铸锭成品吊出结晶器，进行车削加工切头和切尾，且车削表面氧化皮，再进行挤压变形；挤压加热温度为300℃，保温5小时，挤压比15：1，挤压速率4.0mm/min。挤压后型材进行固溶处理和时效处理，固溶温度450℃，保温时间6小时；时效温度180℃，保温时间60小时，得到铝基复合材料。
对实施例1-6和对比例1-5的材料进行常温条件下、保温条件下的抗拉强度和电导率测试，抗拉强度测试根据GBT 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法进行，电导率测试根据GBT 12966-2008铝合金电导率涡流测试方法进行，测试结果总结在表1中。
表1
Figure BDA0002311364780000111
Figure BDA0002311364780000121
将对比例1、对比例2与实施例1-6对比可知，在铝基复合材料中添加还原氧化石墨烯@氧化铝能够大幅度增加材料的抗拉强度和电导率，同时增加抗拉强度和电导率的耐热性；将对比例3与实施例1-6对比可知，在铝基复合材料添加锆元素，能够在增加抗拉强度和电导率的同时起到提高耐热性的效果；此外，由对比例4、对比例5与实施例1-6的比较可知，控制铸造温度、固溶处理和时效处理的条件也对材料的抗拉强度、电导率和耐热性有提升作用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电阻炉升温至390-400℃时将铝锭装入电阻炉中；
(2)待铝锭全部熔化后，升温到720℃-740℃条件下加入Al-5Zr中间合金，熔体保温；
(3)采用氩气将还原氧化石墨烯@氧化铝粉末吹入铝熔体中，吹入同时搅拌，直到粉末吹入完成；
(4)采用氩气吹入Pyrotek公司生产6AB型精炼剂，精炼剂加入质量为铝熔体质量的1-1.2％；
(5)静止保温4-5min后加入Al-5％Ti-B丝，进行扒渣处理，出炉，进行水冷半连续铸造得到铸锭；
(6)将铸锭进行切头和切尾，车削表面氧化皮，再进行挤压变形；
(7)采用固溶时效处理，得到铝基复合材料；
其中，还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体中，氧化铝的质量为1.0-5.0％；
步骤(7)中固溶温度550-600℃，保温时间2-6小时；时效温度200-300℃，保温时间24-60小时；
所述铝基复合材料包括以下合金组份的质量百分比，还原氧化石墨烯0.01-0.09％，Zr0.05-0.3％，Ti 0.010-0.015％，Fe≤0.08％，Si≤0.04％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，每种其余元素的质量百分比≤0.01％。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中还原氧化石墨烯@氧化铝的制备原料包括1-5层、片径为5-20微米的氧化石墨烯。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中还原氧化石墨烯@氧化铝的制备方法为：制备KH-550硅烷偶联剂溶液，在溶液中添加氧化石墨烯，使氧化石墨烯浓度为0.5-3g/L，再加入氧化铝粉超声处理30-100min，纳米氧化铝粉粒径为5nm-100nm，得到的混合溶液经过真空冷冻干燥处理后，进行氧化石墨烯还原烧结，烧结温度1000℃-1500℃，时间2-6小时，获得还原氧化石墨烯@氧化铝复合粉体。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述KH-550硅烷偶联剂溶液的制备方法包括：配制醇水体积比为0.5-2:6-14的混合溶剂，将KH550溶于混合溶剂中得到KH-550硅烷偶联剂溶液，其中，KH550在硅烷偶联剂溶液中含量为0.1vol.％-1.5vol.％，静止溶解时间为2-6小时。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)包括挤压加热的操作，挤压加热的温度为300-400℃，保温时间3-5小时，挤压比15-25:1，挤压速率2.0-4.0mm/min。
7.一种高强高耐热碳纳米铝基复合材料，其是由权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的。
8.一种接续金具，其是由权利要求7所述的高强高耐热碳纳米铝基复合材料制备得到的。
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