CN114107720A - 一种铝碳复合材料、制备方法及其应用 - Google Patents

一种铝碳复合材料、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种铝碳复合材料的制备方法，包括制丝，用纯铝带材卷管，填充铝颗粒和碳颗粒，得粉芯丝材；沉积，在真空腔体内喷涂所述粉芯丝材，在陶瓷基板上形成沉积复合材料；破碎，将所述沉积复合材料颗粒化，得颗粒物；制丝：以所述颗粒物为填充物，用纯铝带材卷管制成丝材，依次重复沉积、破碎、制丝步骤，直至复合材料中碳质量达目标值；压块：将复合材料压制成块体；熔炼，得铝碳复合材料。本发明采用短时高温处理与强力冲击相结合，促进铝和碳材间的润湿，提高分散效果，避免或减少两者界面缺陷，增强界面作用；同时短时高温的处理方法，能够阻碍碳材和铝材间铝碳中间化合物生成，有利于界面电子运动，导电性能优异。

Description

一种铝碳复合材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及导体材料技术领域，特别涉及一种铝碳复合材料、制备方法及其应用。
背景技术
碳材的优异性能受到重视，特别是导电性异常突出。在铝中添加碳材的研究众多，但一直没有得到有效的工艺和产品。主要原因在于铝、碳两者间存在较大差异，包括密度有较大差别、两者润湿性差。这使得铝碳复合材料在制备过程中碳材在铝基体中易团聚、分层，两者间存在缺陷，界面容易产生中间化合物等。
目前常用的烧结法能够在一定程度上提高分散性，但是中间化合物的产生仍较难避免，且该制备方法效率低，不适合生产应用。物理沉积、气相沉积等方法也可提高分散性、一定程度上能够避免中间化合物的产生，但是这些方法只能进行实验室少量制品加工，效率低，不适合量化生产。
因此，提高铝材与碳材间的润湿性和分散性是实现铝碳复合材料适用化亟待解决的问题。
发明内容
本发明提出一种铝碳复合材料、制备方法及其应用，解决了现有技术中铝材与碳材间的润湿性、分散性差的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种铝碳复合材料的制备方法。
在一个实施例中，所述铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，制丝：用纯铝带材卷管，填充铝颗粒和碳颗粒，得粉芯丝材；
步骤二，沉积：在真空腔体内喷涂步骤一所得粉芯丝材，在陶瓷基板上形成沉积复合材料；
步骤三，破碎：将步骤二所得沉积复合材料从陶瓷基板上取下并颗粒化，得颗粒物；
步骤四，制丝：以步骤三所得颗粒物为填充物，用纯铝带材卷管制成丝材，依次重复步骤二、步骤三、步骤四，直至复合材料中碳质量占比达到目标值；
步骤五，压块：将碳质量占比达到目标值的复合材料压制成块体；
步骤六，熔炼：熔炼步骤五所得块体。
可选地，步骤一中，所述纯铝带材纯度为99.5％～99.99％。
可选地，步骤一中，所述铝颗粒纯度为99.5％～99.99％，粒径为30～50μm。
可选地，所述碳颗粒为石墨颗粒。
可选地，所述石墨颗粒粒径为1～10μm。
可选地，所述铝颗粒与碳颗粒质量比为1:1～20:1。
可选地，在步骤二中，所述在真空腔体内喷涂所述粉芯丝材采用的喷涂方式为电弧喷涂或等离子喷涂。
可选地，所述电弧喷涂操作的准备步骤为：选择电弧喷涂设备，将电弧喷涂喷口固定于真空腔体壁上，真空腔与外部真空泵相连，中间加滤芯以防粉尘进入真空泵，正对喷涂枪口设置陶瓷基板。
可选地，所述电弧喷涂的具体操作步骤为：以所述粉芯丝材为喷涂丝材，以氮气为冲击动力源，先对真空腔抽真空至1～10Pa，之后启动电弧喷涂设备断续喷涂，在电弧作用下，喷涂出的铝颗粒呈熔融态铝液滴，并加热碳颗粒，在压力氮气带动作用下熔融态铝液滴和碳颗粒撞击到陶瓷基板上形成沉积复合材料。
可选地，每个喷涂的间隙对真空腔抽真空至1～10Pa。
可选地，在步骤四中，所述复合材料中碳质量占比为2％～15％。
可选地，在步骤五中，所述压块的具体步骤为：用超微粉碎机将所述复合材料粉碎成粉状，并置入不锈钢模具中，用液压机压制成块体。
可选地，在所述熔炼步骤五所得块体的步骤之前，还包括在纯铝锭熔化液中压入步骤五所得块体，搅拌分散的步骤。
可选地，所述在纯铝锭熔化液中压入步骤五所得块体，搅拌分散的步骤，具体如下：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，通氮气保护，升温至690℃并保温至铝锭熔化，压入所述块体，保持温度680℃，快速搅拌，待复合块熔化后继续搅拌，扒渣。
可选地，所述铝锭质量为步骤五所得块体质量的1～10倍。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种利用上述方法制备的铝碳复合材料。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种铝碳复合材料的应用。
在一个实施例中，所述铝碳复合材料应用于导电杆、导电管、导电排或导电金具。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用短时高温处理与强力冲击相结合，促进铝和碳材间的润湿，提高分散效果，避免或减少两者界面缺陷，增强界面作用；同时短时高温的处理方法，能够阻碍碳材和铝材间铝碳中间化合物生成，有利于界面电子运动，使复合材料的导电性与纯铝导电性相当或优于后者。
2、本发明所用能量输入方法成熟、简单、方便，有利于铝碳复合材料的大量、快速加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明根据一示例性实施例示出的铝碳复合材料的分散效果图。
具体实施方式
为使本领域具有普通知识的人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及申请专利范围中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，皆具有本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
在本文中，用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其他任何类似用语均属于开放性连接词(open-ended transitional phrase)，其意欲涵盖非排他性的包括物。举例而言，含有复数要素的一组合物或制品并不仅限于本文所列出的这些要素而已，而是还可包括未明确列出但却是该组合物或制品通常固有的其他要素。除此之外，除非有相反的明确说明，否则用语“或”是指涵盖性的“或”，而不是指排他性的“或”。例如，以下任何一种情况均满足条件“A或B”：A为真(或存在)且B为伪(或不存在)、A为伪(或不存在)且B为真(或存在)、A和B均为真(或存在)。此外，在本文中，用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”的解读应视为已具体公开并同时涵盖“由…所组成”及“实质上由…所组成”等封闭式或半封闭式连接词。
在本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征或条件仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值，特别是整数数值。举例而言，“1至8”的范围描述应视为已经具体公开如1至7、2至8、2至6、3至6、4至8、3至8等等所有次级范围，特别是由所有整数数值所界定的次级范围，且应视为已经具体公开范围内如1、2、3、4、5、6、7、8等个别数值。除非另有指明，否则前述解释方法适用于本发明全文的所有内容，不论范围广泛与否。
若数量或其他数值或参数是以范围、较佳范围或一系列上限与下限表示，则其应理解成是本文已特定公开了由任一对该范围的上限或较佳值与该范围的下限或较佳值构成的所有范围，不论这些范围是否有分别公开。此外，本文中若提到数值的范围时，除非另有说明，否则该范围应包括其端点以及范围内的所有整数与分数。
在本文中，在可实现发明目的的前提下，数值应理解成具有该数值有效位数的精确度。举例来说，数字40.0则应理解成涵盖从39.50至40.49的范围。在本文中，对于使用马库什群组(Markush group)或选项式用语以描述本发明特征或实例的情形，本领域技术人员应了解马库什群组或选项列表内所有要素的次级群组或任何个别要素亦可用于描述本发明。举例而言，若X描述成“选自于由X1、X2及X3所组成的群组”，亦表示已经完全描述出X为X1的主张与X为X1及/或X2的主张。再者，对于使用马库什群组或选项式用语以描述本发明的特征或实例的情况，本领域技术人员应了解马库什群组或选项列表内所有要素的次级群组或个别要素的任何组合亦可用于描述本发明。据此，举例而言，若X描述成“选自于由X1、X2及X3所组成的群组”，且Y描述成“选自于由Y1、Y2及Y3所组成的群组”，则表示已经完全描述出X为X1或X2或X3而Y为Y1或Y2或Y3的主张。
以下具体实施方式本质上仅是例示性，且并不欲限制本发明及其用途。此外，本文并不受前述现有技术或发明内容或以下具体实施方式或实施例中所描述的任何理论的限制。
实施例1：
一种铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制丝：用纯度为99.7％的纯铝带材卷管，填充铝颗粒和石墨颗粒，用拉丝工艺制成粉芯丝材；其中，铝颗粒的纯度为99.7％，粒径为30μm，石墨颗粒的粒径为1μm，铝颗粒与石墨颗粒的质量比为5:1；
(2)沉积：选择电弧喷涂设备，将电弧喷涂喷口固定于真空腔体壁上，真空腔与外部真空泵相连，中间加滤芯以防粉尘进入真空泵，正对喷涂枪口设置陶瓷基板；以步骤(1)所得粉芯丝材为喷涂丝材，以氮气为冲击动力源，先对真空腔抽真空至1～10Pa，之后启动电弧喷涂设备断续喷涂，在电弧作用下，喷涂出的铝颗粒呈熔融态铝液滴，并加热石墨颗粒，在压力氮气带动作用下熔融态铝液滴和石墨颗粒撞击到陶瓷基板上形成沉积复合材料；每个电弧喷涂的间隙对真空腔抽真空至1～10Pa；
(3)破碎：将步骤(2)所得沉积复合材料从陶瓷基板上取下并用超微粉碎机将该复合材料粉颗粒化，得颗粒物；
(4)制丝：以步骤(3)所得颗粒物为填充物，用纯铝带材卷管制成丝材，依次重复(2)、(3)、(4)步骤，直至复合材料中碳质量占比为9％～10％；
(5)压块：将碳质量占比为9％～10％的复合材料置入不锈钢模具中，用液压机压制成块体；
(6)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，所述铝锭质量为步骤五所得块体质量的2倍，通氮气保护，升温至690℃并保温至铝锭熔化，压入步骤(5)所得块体，保持温度680℃，快速搅拌，待复合块熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得铝碳复合材料。
图1示出了实施例1所得铝碳复合材料的分散性效果图，从图1可以看出，铝和碳之间没有间隙，没有发生反应生成Al4C3，因此碳在铝基体中分散性良好，具有良好的润湿性。
实施例2
一种铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制丝：用纯度为99.5％的纯铝带材卷管，填充铝颗粒和石墨颗粒，用拉丝工艺制成粉芯丝材；其中，铝颗粒的纯度为99.5％，粒径为30μm，石墨颗粒的粒径为5μm，铝颗粒与石墨颗粒的质量比为1:1；
(2)沉积：选择电弧喷涂设备，将电弧喷涂喷口固定于真空腔体壁上，真空腔与外部真空泵相连，中间加滤芯以防粉尘进入真空泵，正对喷涂枪口设置陶瓷基板；以步骤(1)所得粉芯丝材为喷涂丝材，以氮气为冲击动力源，先对真空腔抽真空至1～10Pa，之后启动电弧喷涂设备断续喷涂，在电弧作用下，喷涂出的铝颗粒呈熔融态铝液滴，并加热石墨颗粒，在压力氮气带动作用下熔融态铝液滴和石墨颗粒撞击到陶瓷基板上形成沉积复合材料；每个电弧喷涂的间隙对真空腔抽真空至1～10Pa；
(3)破碎：将步骤(2)所得沉积复合材料从陶瓷基板上取下并用超微粉碎机将该复合材料粉颗粒化，得颗粒物；
(4)制丝：以步骤(3)所得颗粒物为填充物，用纯铝带材卷管制成丝材，依次重复(2)、(3)、(4)步骤，直至复合材料中碳质量占比为14％～15％；
(5)压块：将碳质量占比为14％～15％的复合材料置入不锈钢模具中，用液压机压制成块体；
(6)熔炼：熔炼步骤(5)所得块体，搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得铝碳复合材料。
实施例3
一种铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制丝：用纯度为99.9％的纯铝带材卷管，填充铝颗粒和石墨颗粒，用拉丝工艺制成粉芯丝材；其中，铝颗粒的纯度为99.9％，粒径为40μm，石墨颗粒的粒径为10μm，铝颗粒与石墨颗粒的质量比为10:1；
(2)沉积：选择电弧喷涂设备，将电弧喷涂喷口固定于真空腔体壁上，真空腔与外部真空泵相连，中间加滤芯以防粉尘进入真空泵，正对喷涂枪口设置陶瓷基板；以步骤(1)所得粉芯丝材为喷涂丝材，以氮气为冲击动力源，先对真空腔抽真空至1～10Pa，之后启动电弧喷涂设备断续喷涂，在电弧作用下，喷涂出的铝颗粒呈熔融态铝液滴，并加热石墨颗粒，在压力氮气带动作用下熔融态铝液滴和石墨颗粒撞击到陶瓷基板上形成沉积复合材料；每个电弧喷涂的间隙对真空腔抽真空至1～10Pa；
(3)破碎：将步骤(2)所得沉积复合材料从陶瓷基板上取下并用超微粉碎机将该复合材料粉颗粒化，得颗粒物；
(4)制丝：以步骤(3)所得颗粒物为填充物，用纯铝带材卷管制成丝材，依次重复(2)、(3)、(4)步骤，直至复合材料中碳质量占比为5％～6％；
(5)压块：将碳质量占比为5％～6％的复合材料置入不锈钢模具中，用液压机压制成块体；
(6)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，所述铝锭质量为步骤五所得块体质量的4倍，通氮气保护，升温至690℃并保温至铝锭熔化，压入步骤(5)所得块体，保持温度680℃，快速搅拌，待复合块熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得铝碳复合材料。
实施例4
一种铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制丝：用纯度为99.7％的纯铝带材卷管，填充铝颗粒和石墨颗粒，用拉丝工艺制成粉芯丝材；其中，铝颗粒的纯度为99.7％，粒径为40μm，石墨颗粒的粒径为8μm，铝颗粒与石墨颗粒的质量比为15:1；
(2)沉积：选择电弧喷涂设备，将电弧喷涂喷口固定于真空腔体壁上，真空腔与外部真空泵相连，中间加滤芯以防粉尘进入真空泵，正对喷涂枪口设置陶瓷基板；以步骤(1)所得粉芯丝材为喷涂丝材，以氮气为冲击动力源，先对真空腔抽真空至1～10Pa，之后启动电弧喷涂设备断续喷涂，在电弧作用下，喷涂出的铝颗粒呈熔融态铝液滴，并加热石墨颗粒，在压力氮气带动作用下熔融态铝液滴和石墨颗粒撞击到陶瓷基板上形成沉积复合材料；每个电弧喷涂的间隙对真空腔抽真空至1～10Pa；
(3)破碎：将步骤(2)所得沉积复合材料从陶瓷基板上取下并用超微粉碎机将该复合材料粉颗粒化，得颗粒物；
(4)制丝：以步骤(3)所得颗粒物为填充物，用纯铝带材卷管制成丝材，依次重复(2)、(3)、(4)步骤，直至复合材料中碳质量占比为3％～4％；
(5)压块：将碳质量占比为3％～4％的复合材料置入不锈钢模具中，用液压机压制成块体；
(6)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，所述铝锭质量为步骤五所得块体质量的5倍，通氮气保护，升温至690℃并保温至铝锭熔化，压入步骤(5)所得块体，保持温度680℃，快速搅拌，待复合块熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得铝碳复合材料。
实施例5
一种铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制丝：用纯度为99.7％的纯铝带材卷管，填充铝颗粒和石墨颗粒，用拉丝工艺制成粉芯丝材；其中，铝颗粒的纯度为99.7％，粒径为50μm，石墨颗粒的粒径为10μm，铝颗粒与石墨颗粒的质量比为20:1；
(2)沉积：选择电弧喷涂设备，将电弧喷涂喷口固定于真空腔体壁上，真空腔与外部真空泵相连，中间加滤芯以防粉尘进入真空泵，正对喷涂枪口设置陶瓷基板；以步骤(1)所得粉芯丝材为喷涂丝材，以氮气为冲击动力源，先对真空腔抽真空至1～10Pa，之后启动电弧喷涂设备断续喷涂，在电弧作用下，喷涂出的铝颗粒呈熔融态铝液滴，并加热石墨颗粒，在压力氮气带动作用下熔融态铝液滴和石墨颗粒撞击到陶瓷基板上形成沉积复合材料；每个电弧喷涂的间隙对真空腔抽真空至1～10Pa；
(3)破碎：将步骤(2)所得沉积复合材料从陶瓷基板上取下并用超微粉碎机将该复合材料粉颗粒化，得颗粒物；
(4)制丝：以步骤(3)所得颗粒物为填充物，用纯铝带材卷管制成丝材，依次重复(2)、(3)、(4)步骤，直至复合材料中碳质量占比为2％～2.5％；
(5)压块：将碳质量占比为2％～2.5％的复合材料置入不锈钢模具中，用液压机压制成块体；
(6)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，所述铝锭质量为步骤五所得块体质量的9倍，通氮气保护，升温至690℃并保温至铝锭熔化，压入步骤(5)所得块体，保持温度680℃，快速搅拌，待复合块熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得铝碳复合材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，制丝：用纯铝带材卷管，填充铝颗粒和碳颗粒，得粉芯丝材；
步骤二，沉积：在真空腔体内喷涂步骤一所得粉芯丝材，在陶瓷基板上形成沉积复合材料；
步骤三，破碎：将步骤二所得沉积复合材料从陶瓷基板上取下并颗粒化，得颗粒物；
步骤四，制丝：以步骤三所得颗粒物为填充物，用纯铝带材卷管制成丝材，依次重复步骤二、步骤三、步骤四，直至复合材料中碳质量占比达到目标值；
步骤五，压块：将碳质量占比达到目标值的复合材料压制成块体；
步骤六，熔炼：熔炼步骤五所得块体，浇筑成锭，得铝碳复合材料。
2.如权利要求1所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述纯铝带材纯度为99.5％～99.99％。
3.如权利要求1所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述铝颗粒纯度为99.5％～99.99％，粒径为30～50μm。
4.如权利要求1所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述碳颗粒为石墨颗粒。
5.如权利要求4所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述石墨颗粒粒径为1～10μm。
6.如权利要求1所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述铝颗粒与碳颗粒质量比为1:1～20:1。
7.如权利要求1所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述在真空腔体内喷涂所述粉芯丝材采用的喷涂方式为电弧喷涂或等离子喷涂。
8.如权利要求7所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述电弧喷涂的具体操作步骤为：以所述粉芯丝材为喷涂丝材，以氮气为冲击动力源，先对真空腔抽真空至1～10Pa，之后启动电弧喷涂设备断续喷涂，在电弧作用下，喷涂出的铝颗粒呈熔融态铝液滴，并加热碳颗粒，在压力氮气带动作用下，熔融态铝液滴和碳颗粒撞击到陶瓷基板上形成沉积复合材料。
9.如权利要求8所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，每个电弧喷涂的间隙对真空腔抽真空至1～10Pa。
10.如权利要求1所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤四中，所述复合材料中碳质量占比为2％～15％。
11.如权利要求1所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤五中，所述压块的具体步骤为：用超微粉碎机将所述复合材料粉碎成粉状，并置入不锈钢模具中，用液压机压制成块体。
12.如权利要求1所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述熔炼步骤五所得块体的步骤之前，还包括在纯铝熔化液中压入步骤五所得块体，搅拌分散的步骤。
13.如权利要求12所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述在纯铝锭熔化液中压入步骤五所得块体，搅拌分散的步骤，具体如下：在熔炼炉中熔炼纯铝锭，通氮气保护，升温至690℃并保温至铝锭熔化，压入所述块体，保持温度680℃，快速搅拌，待所述块体熔化后继续搅拌，扒渣。
14.如权利要求12所述的一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝锭质量为步骤五所得块体质量的1～10倍。
15.一种如权利要求1-14任一项所述方法制备的铝碳复合材料。
16.一种如权利要求15所述的铝碳复合材料的应用，所述铝碳复合材料应用于导电杆、导电管、导电排或导电金具。
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