CN113122749B - 一种碳源增强剂、碳源增强合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳源增强剂、碳源增强合金及其制备方法。本发明中的碳源增强剂原料包括合金核和活性组分；所述活性组分包括粘接剂和碳源；所述粘结剂至少包含含硅无机粘接剂；所述碳源为石墨烯或/和碳纤维；所述合金核至少包含A、B两种成分，A为硅，B为金属元素。本发明具有能有效将碳纤维或石墨烯均匀分散到熔融状态的待增强合金中，进而提高合金性能，扩大能够添加石墨烯或/和碳纤维的合金铸造工艺范围。
Description
技术领域
本发明涉及合金领域，具体涉及一种合金及其制备方法。
背景技术
合金是由两种或两种以上的金属元素，或以金属为基添加其他非金属元素，然后通过合金化工艺(熔炼、机械合金化、烧结、气相沉积等等)而形成的具有金属特性的金属材料。由于在合金材料中存在有多种元素，融合了不同元素的特性，从而扩大了合金材料的性能和使用范围，如铜合金、铝合金、钛合金、锌合金等。而对于不同的合金材料而言，不同合金具有不同的性能，如铜铝合金具有较低的热膨胀系数、较高导热率、耐高温、较高的抵抗磨损性能、抗拉强度、屈服强度等，因此可以用来制作弹簧、电子设备的金属器件、五金器材、医疗设备等，但其却存在抗拉强度和冲击韧性较差的问题。
为了克服合金存在的抗拉强度和冲击韧性较差的问题，现有技术中公开了在合金中添加碳纤维或石墨烯以提高合金的抗拉强度和冲击韧性的方式，但是由于碳纤维和石墨烯在熔融态合金中的润湿性较低，因此，在合金中添加碳纤维或石墨烯，并且使碳纤维或石墨烯能够在熔融态合金中均匀分散十分困难。
为了能达到碳纤维或石墨烯均匀分散在合金中的目的，通常做法是改变制备工艺，采用不需要金属完全熔融的合金铸造工艺。如中国专利文献CN08396168A，其公开了使用有机亲水改性剂对铝合金粉末进行改性，然后再与石墨烯混合，最后再加热至半固态后进行挤压加工，进而得到石墨烯与合金均匀相融的目的。又如CN108060321A中，采用压铸方法，该方法先要制备铝合金颗粒，然后再在铝合金颗粒中加入碳纤维或石墨烯，最后再通过半固态浆料挤压铸造实现碳纤维或石墨烯增强合金的制备。
上述两种方法在一定程度上通过将碳纤维或石墨烯直接分散于合金内解决了合金中普遍存在的抗拉强度和冲击韧性较差的问题，但是无论是上述改性的方式还是压铸的方式，为了达到石墨烯与合金均匀分散且相融的目的，在合金中添加碳纤维或石墨烯后，都需要处于固液共存状态，导致碳纤维或石墨烯的添加仅仅只适用于压力铸造和连续铸造中，在砂型铸造和金属铸造中无法使用，极大地限制了合金的铸造工艺。
发明内容
本发明提供了一种能够在熔融液态金属液中和更多的合金铸造工艺中进行石墨烯或碳纤维有效添加的碳源增强剂，并提供添加了碳源增强剂的碳源增强合金，以及相应的制备方法。
一种碳源增强剂，原料包括合金核和活性组分；
所述活性组分包括粘接剂和碳源；所述粘接剂至少包含含硅无机粘接剂；所述碳源为石墨烯或/和碳纤维；
所述合金核至少包含A、B两种成分，A为硅，B为密度大于硅的金属元素。
本发明的合金核中还包括C成分，C为待增强合金中的任意一种主金属元素，且B与C的密度不同。该主金属元素指在合金中组成含量大于10%的金属元素。
所述B为铜，C为铝，合金核的密度为3～5g/cm3。
本发明中石墨烯根据层数不同的密度在0.77～1.2 g/cm3之间，碳纤维的密度约为1.8 g/cm3。
所述粘接剂还包括有机粘接剂。
所述有机粘接剂为糖、树脂中的一种或多种；其中，所述糖包括白糖、葡萄糖、糖稀中的一种或多种；所述树脂包括PVDF或其他的种类的树脂。
所述含硅无机粘接剂为大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶中的一种或多种。
所述合金核的粒径小于30μm。
一种碳源增强合金，包括待增强合金和上述的碳源增强剂，所述待增强合金中至少包括C成分；
所述碳源增强剂的密度不低于待增强合金的密度。
所述碳源增强剂的密度比待增强合金密度至少大0.1g/cm3；优选的，所述碳源增强剂的密度比待增强合金密度大0.1～1g/cm3，更为优选的，所述碳源增强剂的密度比待增强合金密度大0.5～1g/cm3。
所述碳源增强剂中合金核密度至少比待增强合金密度大1g/cm3。
所述待增强合金中还包括B成分和/或A成分。
碳源增强剂的制备工艺，包括：将合金核、活性组分与溶剂进行研磨混合处理，获得浆料；在550～650℃下，对浆料进行干燥处理即可。
所述合金核的制备过程为：将合金核的原料加入中频炉熔炼，再进行水雾化先得到粒径小于75μm的合金核，再将合金核、活性组分与溶剂进行砂磨混合处理和干燥处理，最终得到合金核小于30μm的碳源增强剂。
所述干燥时间为3～5h。所述溶剂为乙醇；乙醇的浓度为5v%。
所述研磨优选采用砂磨，砂磨转速为1500～5000r/min，研磨时间为0.5～2h。
一种碳源增强合金的制备工艺，包括如下步骤：
在待增强合金的制备过程中，直接将碳源增强剂添加到待增强合金的原料粉末或合金熔液中。
碳源增强剂通过喷射、搅拌或钟罩压入的方式添加到合金熔液中。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供了一种碳源增强剂，首次利用重力的作用将碳源添加到熔融态的待增强合金中增加其强度和韧性。具体的，本发明首次采用了合金核的方式负载石墨烯或/和碳纤维形成碳源增强剂，将该碳源增强剂添加到熔融态的待增强合金中后，可以有效增加待增强合金的强度和韧性。该合金核至少包括A、B两种成分；其中，A成分设置为硅，进而形成含硅的合金核，由于碳源增强剂在使用过程中添加到待增强合金中时，待增强合金处于熔融态，温度较高，因此，本发明通过采用含硅的合金核与含硅的无机粘接剂配合，可以有效且简单的将石墨烯或/和碳纤维固定在合金核上，不仅仅可以增加石墨烯或/和碳纤维与合金核之间的结合力，还能够有效避免高温导致的石墨烯或/和碳纤维与合金核之间的脱附，实现了熔融状态下石墨烯或/和碳纤维的均匀添加；B为金属，其密度较大，因此可以形成密度较大的合金核，进而通过合金核的重力作用将负载的石墨烯或/和碳纤维添加到熔融态的待增强合金中，有效解决了石墨烯或/和碳纤维在熔融态合金中分散性不佳的问题，可以在任意的合金铸造工艺中实现石墨烯或/和碳纤维的添加，应用范围更加广泛。具体的，本发明中该碳源增强剂的使用方式可以与铸造过程中的球化剂或孕育剂等使用方法相同，既可以喷射加入到合金熔液中，也可以搅拌加入到合金熔液中，还可以钟罩压入的方式添加到合金熔液中，加入方式多样，因此，本发明的碳源增强剂适用于各种铸造方法，不再仅限于半固态铸造、压力铸造或连续铸造，在砂型铸造和金属型铸造中均可以达到添加碳源且能使碳源达到均匀分散的目的，使用范围更加广泛、操作更加方便。
2、本发明进一步优化了合金核的组成，该合金核中同时包括A、B和C三种成分，A为硅，B和C为不同密度的金属元素。A为硅的设置可以有效与含硅的无机粘接剂配合，简单且有效的将石墨烯或/和碳纤维固定在合金核上。B采用密度大于待增强合金且不减弱待增强合金性能的金属元素，因此，B成分的添加可以使碳源增强剂的密度不低于待增强合金，在碳源增强剂添加到熔融态的待增强合金中时，进而能有效克服熔融液的表面张力，避免熔融液与碳源之间的不润湿而导致的混合不均匀的问题，使碳源能够均匀且有效的分散于待增强合金的材质中，达到均匀分散的目的。由于本发明中的碳源增强剂是添加到待增强合金中，因此，C采用与待增强合金中主元素相同的金属元素，通过具有与待增强合金相同的金属元素的设置，当合金核负载碳源并添加到待增强合金中后，合金核能更好的与待增强合金相结合。
3. 本发明的粘接剂中还包括有机粘接剂；由于有机粘接剂在500℃以上时会分解成无定型碳，失去粘接力，因此，在熔融液状态的待增强合金添加后，其可以促使合金核与石墨烯或/和碳纤维分离，使石墨烯或/和碳纤维达到分散良好的目的。
4. 本发明还公开了一种碳源增强合金，并优化了碳源增强合金中碳源增强剂和待增强合金的密度，本发明中碳源增强剂的密度不低于待增强合金的密度，优选为碳源增强剂的密度比待增强合金密度至少大0.1g/cm3，更为优选的为碳源增强剂的密度比待增强合金密度大0.1～1g/cm3。通过上述密度的优化限制，能够在碳源增强剂添加到熔融状态下待增强合金中时，更加有效的克服熔融状态下待增强合金的表面张力，达到碳源添加更加均匀的目的。
5.本发明中还公开了碳源增强剂的制备方法，本方法中碳源通过粘接剂在砂磨过程中均匀粘接到合金核上，再经过高温固化得到成品；在该制备方法中，由于采用的是粘接的方式将碳源固定在合金核上，因此，碳源采用直径或长度从纳米级到厘米级的石墨烯片或碳纤维都可以，并且，石墨烯或碳纤维可以是裸石墨烯或碳纤维，也可以是包覆后的。当使用裸石墨烯或碳纤维，能够更有利于这些碳材料的推广应用，原料来源更加容易获得。
附图说明
为了更清楚地显示本发明的结构，本发明还提供以下附图。
图1 本发明实施例1中合金核的剖面SEM图像
图2本发明实施例1中碳源增强剂的剖面SEM图像
图3本发明实施例1中添加碳源增强剂2%时ZL102铝合金微观组织SEM图像。
图4本发明实施例4中碳源增强剂的外表面微观组织SEM图像。
图5本发明实施例4中添加碳源增强剂2%时ZL102铝合金微观组织SEM图像。
图6本发明实施例5中添加碳源增强剂5%时ZL102铝合金微观组织SEM图像。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品，本发明中所述的密度均为振实密度。
实施例1
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为2.7g/cm3的ZL102铝合金，该ZL102铝合金的组成为：12wt%Si，≤2.0wt%的杂质，余量为Al；碳源增强剂包括合金核、PVDF、细孔硅胶和石墨烯。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为80%Cu-10%Si-10%Al。自己配置时，首先将99.9%Cu棒、99.97%Si块、99.7%Al块三种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核的振实密度为5.8g/cm3，其形貌如图1所示。
将合金核20kg，PVDF3kg，细孔硅胶0.5kg，石墨烯2.5kg，以及浓度为5v%的乙醇30kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为3.0g/cm3，其形貌如图2所示。
将上述碳源增强剂添加到ZL102铝合金中，添加量为ZL102铝合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到190MPa，添加后的合金形貌如图3所示；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到280MPa。添加量为ZL102铝合金的5wt%，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到230MPa；金属型铸造石墨烯由160MPa提升到360MPa。
本发明的碳源增强剂对ZL102铝合金抗拉强度具有明显的提升效果。与砂型铸造相比，金属型铸造的效果更明显。
实施例2
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为2.7g/cm3的ZL102铝合金，该ZL102铝合金的组成为：12wt%Si，≤2.0wt%的杂质，余量为Al；碳源增强剂包括合金核、PVDF、细孔硅胶和石墨烯。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为85%Zn-15%Si。自己配置时，首先将99.9%Zn、99.97%Si两种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核密度为5.4g/cm3。
将合金核20kg，PVDF3kg，细孔硅胶0.5kg，石墨烯3kg，以及浓度为5v%的乙醇30kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为2.8g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZL102铝合金中，添加量为ZL102铝合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到160MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到230MPa。添加量为ZL102铝合金的5wt%，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到180MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到330MPa。
碳源增强剂合金核中不含待增强合金的主元素Al，与实施例1相比，强化效果有所减弱。
实施例3
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为2.7g/cm3的ZL102铝合金，该ZL102铝合金的组成为：12wt%Si，≤2.0wt%的杂质，余量为Al；碳源增强剂包括合金核、PVDF、细孔硅胶和石墨烯。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为80%Cu-10%Si-10%Al。自己配置时，首先将99.9%Cu棒、99.97%Si块、99.7%Al块三种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核密度为5.8g/cm3。
将合金核20kg，PVDF3kg，细孔硅胶0.5kg，石墨烯3.2kg，以及浓度为5v%的乙醇35kg一起在砂磨转速为2000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为2h，研磨后获得浆料；浆料在620℃干燥3h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为2.8g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZL102铝合金中，添加量为ZL102铝合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到190MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到280MPa。添加量为ZL102铝合金的5wt%，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到270MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到400MPa。
随着碳源增强剂中石墨烯含量的增加，ZL102铝合金的抗拉强度进一步提高，但在砂型铸造时，凝固后的试样上表面已出现了轻微的石墨烯偏析现象。
实施例4
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为2.7g/cm3的ZL102铝合金，该ZL102铝合金的组成为：12wt%Si，≤2.0wt%的杂质，余量为Al；碳源增强剂包括合金核、PVDF、细孔硅胶和碳纤维。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为80%Cu-10%Si-10%Al。自己配置时，首先将99.9%Cu棒、99.97%Si块、99.7%Al块三种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核密度为5.8g/cm3。
将合金核20kg，PVDF3kg，细孔硅胶0.5kg，碳纤维5kg，以及浓度为5v%的乙醇35kg一起在砂磨转速为3000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1.5h，研磨后获得浆料；浆料在580℃干燥5h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为3.2g/cm3，其形貌如图4所示。
将上述碳源增强剂添加到ZL102铝合金中，添加量为ZL102铝合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到195MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到330MPa，添加后的合金形貌如图5所示。添加量为ZL102铝合金的5wt%，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到235MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到390MPa。
碳源增强剂中不含石墨烯，而改用碳纤维，碳源增强剂的密度增加了，碳纤维和石墨烯对ZL102铝合金抗拉强度增强效果相似。
实施例5
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为2.7g/cm3的ZL102铝合金，该ZL102铝合金的组成为：12wt%Si，≤2.0wt%的杂质，余量为Al；碳源增强剂包括合金核、糖稀、PVDF、B型硅胶、碳纤维和石墨烯。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为55%Cu-35%Si-10%Al。自己配置时，首先将99.9%Cu棒、99.97%Si块、99.7%Al块三种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核密度为4.02g/cm3。
将合金核20kg，糖稀1kg，PVDF2kg，B型硅胶0.5kg，碳纤维3kg，石墨烯2kg以及浓度为5v%的乙醇40kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为3.1g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZL102铝合金中，添加量为ZL102铝合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到185MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到310MPa。添加量为ZL102铝合金的5wt%，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到225MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到395MPa，添加后的合金形貌如图6所示。
实施例6
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为2.7g/cm3的ZL102铝合金，该ZL102铝合金的组成为：12wt%Si，≤2.0wt%的杂质，余量为Al；碳源增强剂包括合金核、糖稀、B型硅胶、碳纤维和石墨烯。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为55%Cu-35%Si-10%Al。自己配置时，首先将99.9%Cu棒、99.97%Si块、99.7%Al块三种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核密度为4.02g/cm3。
将合金核20kg，糖稀3kg，B型硅胶0.5kg，碳纤维3kg以及浓度为5v%的乙醇30kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为2.8g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZL102铝合金中，添加量为ZL102铝合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到183MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到305MPa。添加量为ZL102铝合金的5wt%，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到210MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到350MPa。
碳源增强剂中不含PVDF时，糖稀分解后的碳具有较高的粘接力，使得受热时石墨烯和碳纤维与合金核分离受阻，不能充分分散于液体金属中，故对ZL102铝合金抗拉强度增强效果有所减弱。
实施例7
本实施例中采用实施例1中制备的碳源增强剂添加到ZL102铝合金中，添加量为ZL102铝合金的1wt%、3wt%、4wt%，该碳源增强剂的添加时机与球化剂的添加时机相同，碳源增强剂添加后铝合金的抗拉强度均有效提升。添加量为ZL102铝合金的1wt%，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到150MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到210MPa。添加量为ZL102铝合金的3wt%，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到200MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到310MPa。添加量为ZL102铝合金的4wt%，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到220MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到335MPa。
碳源增强剂添加量较少时，强化效果不理想；碳源增强剂添加量较多时，强度提升幅度也减小；碳源增强剂添加量在2~4%区间时，随着碳源增强剂添加量的增加，强化效果明显改善。
实施例8
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为2.85g/cm3的ZL203铝合金，该ZL203铝合金的组成为：4.0wt%Cu，≤2.0wt%的杂质，余量为Al；碳源增强剂包括合金核、PVDF、细孔硅胶和石墨烯。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为55%Cu-35%Si-10%Al。自己配置时，首先将99.9%Cu棒和99.97%Si块两种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核密度为4.02g/cm3。
将合金核20kg，PVDF 3kg，细孔硅胶0.5kg，石墨烯1.5kg以及浓度为5v%的乙醇30kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为2.8g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZL203铝合金中，添加量为ZL203铝合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL203铝合金的抗拉强度由210MPa提升到258MPa；金属型铸造ZL203铝合金的抗拉强度由230MPa提升到365MPa。添加量为ZL203铝合金的5wt%，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL203铝合金的抗拉强度由210MPa提升到263MPa；金属型铸造ZL203铝合金的抗拉强度由230MPa提升到410MPa。
实施例9
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为2.85g/cm3的ZL203铝合金，该ZL203铝合金的组成为：4.0wt%Cu，≤2.0wt%的杂质，余量为Al；碳源增强剂包括合金核、PVDF、细孔硅胶和石墨烯。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为86%Cu-6%Si-8%Al。自己配置时，首先将Cu、Si、Al三种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核密度为6.55g/cm3。
将合金核20kg，PVDF 3kg，细孔硅胶0.5kg，石墨烯2kg、碳纤维3kg以及浓度为5v%的乙醇30kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为3.06g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZL203铝合金中，添加量为ZL203铝合金的5wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL203铝合金的抗拉强度由由210MPa提升到270MPa；金属型铸造ZL203铝合金的抗拉强度由230MPa提升到460MPa。
用插管式喷入法添加时，砂型铸造时，凝固后的试样上表面存在着一定程度的石墨烯偏析现象，故强化效果受影响；金属型铸造时，凝固后的试样上表面不存在石墨烯偏析现象，故强化效果较理想。
实施例10
本实施例中公开了一种碳源增强合金，包括碳源增强剂和待增强合金。其中，待增强合金为密度为1.8g/cm3的ZM5铝合金，该ZM5镁合金的组成为：8.0wt%Al，0.5wt%Zn，0.3%Mn，余量为Mg；碳源增强剂包括合金核、PVDF、细孔硅胶和碳纤维。
所述碳源增强剂的制备方法为：
获得合金核，该合金核可以采用购买的硅铝铜合金，也可以自己按照合适配比进行配置，只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3即可。本实施例中该合金核采用自己配置的方式，合金核的材质为60%Cu-30%Si-10%Mg。自己配置时，首先将Cu块和Mg块用真空感应炉熔炼成中间合金，再将Cu-Mg合金块和Si块两种成分原料用中频炉熔炼成合金液，然后采用水雾化方法进行制备，最后经过筛选出粒径小于75μm的颗粒即可，该筛选出合金颗粒即为初期的合金核，该合金核密度为3.8g/cm3。
将合金核20kg，PVDF 3kg，细孔硅胶0.5kg，碳纤维5kg以及浓度为5v%的乙醇30kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为2.6g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZM5镁合金中，添加量为ZM5镁合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZM5镁合金的抗拉强度由140MPa提升到170MPa；金属型铸造ZM5镁合金的抗拉强度由230MPa提升到320MPa。
对比例1
本实施例与实施例1的区别仅仅在于：本实施例中的粘接剂仅仅只采用PVDF，PVDF的添加量为3kg，而没有使用细孔硅胶，其他均与实施例1相同。
将合金核20kg，PVDF3kg，石墨烯2.5kg，以及浓度为5v%的乙醇30kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为3.0 g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZL102铝合金中，添加量为ZL102铝合金的2wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到150MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到190MPa。添加量为ZL102铝合金的5wt%，碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由133MPa提升到170MPa；金属型铸造ZL102铝合金的抗拉强度由160MPa提升到230MPa。
对比例2
本实施例与实施例9的区别在于，合金核的组成不同，本实施例中合金核的材质为5%Cu-40%Si-55%Al，合金核密度为2.6g/cm3，待增强合金ZL203的密度也为2.6g/cm3。其他条件均与实施例9相同。
将合金核20kg，PVDF 3kg，细孔硅胶0.5kg，石墨烯5kg以及浓度为5v%的乙醇30kg一起在砂磨转速为5000r/min的砂磨机中研磨，研磨时间为1h，研磨后获得浆料；浆料在600℃干燥4h，合金核小于30μm的碳源增强剂。
通过检测，上述方法制备得到的碳源增强剂的密度为1.9g/cm3。
将上述碳源增强剂添加到ZL203铝合金中，添加量为ZL203铝合金的5wt%，该碳源增强剂的添加时机与孕育剂添加时机相同。碳源增强剂添加后，砂型铸造ZL203铝合金的抗拉强度由210MPa提升到220MPa；金属型铸造ZL203铝合金的抗拉强度由230MPa提升到260MPa。
通过上述实施例1-10可知：只要是合金核密度至少大于待增强合金密度1g/cm3或碳源增强剂的密度大于待增强合金密度0.1~1g/cm3，无论砂型铸造还是金属型铸造石墨烯对合金的强化效果都较为明显。
通过实施例与对比例1对比可知：不使用细孔硅胶，用插管式喷入法添加时，碳源增强剂被液体金属加热时释放石墨烯的速度过快，砂型铸造尤为明显，碳源增强剂带入的石墨烯会快速大量漂浮至液体金属表面，残留在液体中的石墨烯较少；金属型的凝固速度要比砂型的快的多，但凝固后的试样上表面也存在着严重的石墨烯偏析现象，故强化效果不明显。
通过实施例与对比例2对比可知：由于合金核密度太小，导致碳源增强剂的密度也太小，用插管式喷入法添加时，碳源增强剂会快速大量漂浮至液体金属表面，残留在液体中的石墨烯很少，故强化效果不明显。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (17)
1.一种用于添加到熔融态的待增强合金中的碳源增强剂，其特征在于，原料包括合金核和活性组分；
所述活性组分包括粘接剂和碳源；所述粘接剂至少包含含硅无机粘接剂；所述碳源为石墨烯或/和碳纤维；
所述合金核至少包含A、B两种成分，A为硅，B为密度大于硅的金属元素；
所述碳源增强剂的密度比待增强合金密度至少大0.1g/cm3。
2.根据权利要求1所述的碳源增强剂，其特征在于，所述合金核还包括C成分，C为金属元素，且B与C的密度不同。
3.根据权利要求2所述的碳源增强剂，其特征在于，所述B为铜，C为铝，合金核的密度为3～5g/cm3。
4.根据权利要求1～3任一项所述的碳源增强剂，其特征在于，所述粘接剂还包括有机粘接剂。
5.根据权利要求4所述的碳源增强剂，其特征在于，所述有机粘接剂为糖和树脂中的一种或多种。
6.根据权利要求1～3任一项所述的碳源增强剂，其特征在于，所述含硅无机粘接剂为大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶中的一种或多种。
7.根据权利要求1～3任一项所述的碳源增强剂，其特征在于，所述合金核的粒径小于30μm。
8.一种碳源增强合金，其特征在于，包括：
待增强合金，至少包括C成分；
权利要求1～7任一项所述的碳源增强剂；碳源增强剂中的B采用密度大于待增强合金的金属元素；
所述碳源增强剂的密度不低于待增强合金的密度。
9.根据权利要求8所述的碳源增强合金，其特征在于，所述碳源增强剂的密度比待增强合金密度大0.5～1g/cm3。
10.根据权利要求8或9所述的增强合金，其特征在于，所述碳源增强剂中合金核密度至少比待增强合金密度大1g/cm3。
11.根据权利要求8或9所述的增强合金，其特征在于，所述待增强合金中还包括B成分和/或A成分。
12.权利要求1～7任一所述碳源增强剂的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
将合金核、活性组分与溶剂进行研磨混合处理，获得浆料；
在550～650℃下，对浆料进行干燥处理即可。
13.根据权利要求12所述的制备工艺，其特征在于，所述合金核的制备过程为：将合金核的原料进行混合，经熔炼、水雾化和研磨后制成。
14.根据权利要求12或13所述的制备工艺，其特征在于，所述溶剂为乙醇。
15.根据权利要求12或13所述的制备工艺，其特征在于，所述研磨为砂磨，砂磨转速为1500～5000r/min，时间为0.5～2h。
16.一种碳源增强合金的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
在待增强合金的制备过程中，直接将碳源增强剂添加到待增强合金的原料粉末或合金熔液中。
17.根据权利要求16所述的制备工艺，其特征在于，碳源增强剂通过喷射、搅拌或钟罩压入的方式添加到合金熔液中。
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