CN114134363A - 一种各向同性的铝碳复合材料、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：原料净化；球磨纳米化处理：将净化后的镀铜石墨、片状石墨、铝粉、添加剂进行球磨处理；压块：将球磨后所得混合物压成复合材料块体；熔炼：熔化铝锭成铝液，压入复合材料块体，浇铸成锭，即得各向同性的铝碳复合材料。还提供了上述方法制备的各向同性的铝碳复合材料及其应用。本发明经镀铜碳材的纳米化处理，增强铝和碳间相互作用，促进纳米碳材在铝材中的分散，提高纳米碳材载流子浓度，实现铝碳复合材料导电和力学性能提升；本发明所制备的铝碳复合材料的力学性能和导电性能均为各向同性，所开发工艺可适用于大量生产加工。

Description

一种各向同性的铝碳复合材料、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，特别涉及一种各向同性的铝碳复合材料、制备方法及其应用。
背景技术
铜导电性能优异、力学性能较好，是重要的导体材料。因其价格昂贵、资源稀缺，用易得、价低的铝代替铜是重要发展方向。铝的导电性能和力学性能与铜相比都有较大差距，因此，提高铝的性能是实现以铝代铜的关键。
近年来，微合金化是提升铝导体材料性能的主要技术路线之一，但铝合金导电性改善较小，主要原因是微合金化的方法在改善铝导体材料力学性能的同时，由于改变了铝导体材料的晶格结构，因而阻碍了电子在铝合金基体中的运动，降低了导电性。而且微合金化铝导体服役时间延长，不可避免形成中间化合物的长大，导致导电性能恶化。
复合技术的迅速发展使得铝导体材料在性能方面有了重大提升。根据文献记载，利用碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料的优异导电性和纳米材料在铝基体中的弥散强化作用，在铝基体中掺入碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料实现铝导体材料性能的提升。复合后铝材力学性能有显著提升，但导电性能变化不大，根本原因在于铝和碳间作用较弱，这导致纳米碳材在铝基体中很难分散；碳材和铝材间容易存在微小裂纹缺陷，使力学性能恶化；两者间的弱相互作用界面阻碍电子运动，不能充分发挥纳米碳材的优异导电性能。为此，有研究用气相沉积法在铝箔表面沉积碳材，后挤压成型，实现了沿层压方向的导电性能显著提升，但是该方法工艺复杂，材料各向异性，不适用于大量生产应用。
如何获得性能优异的铝碳复合材料，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明提出一种各向同性的铝碳复合材料、制备方法及其应用，解决了现有技术中铝材和碳材间相互作用弱且难以控制，导致铝碳复合材料性能较差的难题。
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，提供了一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法。
在一个实施例中，一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
原料净化：将镀铜石墨放进高温箱体，通入惰性气体，进行第一次高温处理；换入还原性气体，进行第二次高温处理；将片状石墨进行与所述镀铜石墨相同的处理；
球磨纳米化处理：将净化后的镀铜石墨和片状石墨、铝粉、添加剂进行球磨处理，球磨罐体内换为惰性气体，片状石墨成为表面吸附铜的石墨烯或纳米石墨烯片，得复合材料球磨混合物；
压块：将复合材料球磨混合物压成复合材料块体；
熔炼：在熔炼炉中通入保护性气体，熔化铝锭成铝液，将复合材料块体压入所得铝液底部，搅拌分散，浇铸成型，即得各向同性的铝碳复合材料。
可选地，所述镀铜石墨为片状镀铜石墨。
可选地，所述镀铜石墨粒径为200～300目。
可选地，所述镀铜石墨中铜含量为20％～50％。
可选地，所述片状石墨粒径为200～300目。
可选地，所述铝粉粒径30～50μm，杂质含量小于0.3％。
可选地，在所述原料净化步骤中，第一次高温处理温度为300～500℃；第二次高温处理温度为580～600℃。
可选地，所述添加剂为硬脂酸或油酸。
可选地，在所述原料净化步骤中，所述惰性气体为氮气，所述还原性气体为氢气。
可选地，所述球磨罐为氧化铝陶瓷罐。
可选地，在所述球磨纳米化处理步骤中，所述惰性气体为氮气。
可选地，在所述球磨纳米化处理步骤中，铜:铝:碳:添加剂质量比为0.1～1:200～1000:1～50:1～500。
可选地，在所述球磨纳米化处理步骤中，所述球磨处理的速度为300～800rpm，时间为3～5h。
可选地，在所述熔炼步骤中，所述铝锭质量为复合材料块体质量的1～10倍。
可选地，在所述熔炼步骤中，所述保护性气体为氮气。
可选地，在所述熔炼步骤中，所述熔炼温度为670～700℃。
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各向同性的铝碳复合材料。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种上述各向同性的铝碳复合材料的应用。
在一个实施例中，所述铝碳复合材料用于所述铝碳复合材料应用于导电绞线、导电杆、导电排、导电金具或导电管。
本发明的有益效果是：
1、本发明所用片状石墨、镀铜石墨来源广泛、价格便宜，生产成本低；
2、本发明经镀铜碳材的纳米化处理，一方面铜对石墨有掺杂作用，促进纳米碳材在铝材中的分散，提高纳米碳材载流子浓度的载流子密度，实现铝碳复合材料导电和力学性能提升；另一方面铜的加入在铝和石墨间做了中介，提高了润湿性；添加剂避免铝颗粒间的焊合，提高掺杂和分散效果；本发明通过弥散强化的方式，纳米化石墨在复合材料中阻挡铝材内部缺陷移动，增强铝材强度；压块步骤中，因为复合材料块体密度小容易浮起来，将复合材料块体压入铝液底部后，在逐渐上浮过程中方便快速分散开；
3、本发明所制备的铝碳复合材料的力学性能和导电性能均为各向同性，铝碳复合材料可适用于导电绞线、导电杆、导电排、导电金具或导电管等生产加工。
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
一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备片状镀铜石墨：用市售片状镀铜石墨，粒径为200目，铜质量含量为20％；片状石墨的粒径为200目；铝粉的粒径为30μm，杂质含量小于0.3％；
(2)原料净化：将片状镀铜石墨用陶瓷或石墨坩埚盛放，通入氮气，并置入高温热处理炉内，升温至300℃，恒温1h；降温后，置换高温热处理炉内空气为氢气，再升温至580℃，恒温3h；将片状石墨进行与所述片状镀铜石墨相同的处理；
(3)球磨纳米化处理：将净化后的片状镀铜石墨、片状石墨、铝粉、添加剂搅拌均匀后，放入行星球磨机中进行球磨处理，其中铜:铝:碳:硬脂酸质量比为0.1:200:1:5，行星球磨机的氧化铝陶瓷罐体内换为氮气，行星球磨机以300rpm的速度运行5h，使得片状石墨成为表面吸附铜的石墨烯或纳米石墨烯片，得复合材料球磨混合物；
(4)压块：将复合材料球磨混合物置入不锈钢模具中，用液压机压制成复合材料块体；
(5)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，通氮气保护，升温至690℃保温至铝锭熔化，所述铝锭质量为复合材料块体质量的1倍，将复合材料块体压入所得铝液底部，保持温度680℃，用磁力搅拌快速搅拌，待复合材料块体熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得导电率62％IACS、铸态强度160MPa各向同性的铝碳复合材料。
实施例2
一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备片状镀铜石墨：用市售颗粒状镀铜石墨，粒径为200目，铜质量含量为30％；片状石墨的粒径为250目；铝粉的粒径为30μm，杂质含量小于0.3％；
(2)原料净化：将片状镀铜石墨用陶瓷或石墨坩埚盛放，通入氮气，并置入高温热处理炉内，升温至400℃，保持1h；降温后，置换高温热处理炉内空气为氢气，再升温至580℃，恒温3h；将片状石墨进行与所述片状镀铜石墨相同的处理；
(3)球磨纳米化处理：将净化后的片状镀铜石墨、片状石墨、铝粉、添加剂搅拌均匀后，放入行星球磨机中进行球磨处理，其中铜:铝:碳:硬脂酸质量比为：0.5:400:15:150，行星球磨机的氧化铝陶瓷罐体内换为氮气，行星球磨机以600rpm的速度运行4h，使得片状石墨成为表面吸附铜的石墨烯或纳米石墨烯片，得复合材料球磨混合物；
(4)压块：将复合材料球磨混合物置入不锈钢模具中，用液压机压制成复合材料块体；
(5)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，通氮气保护，升温至690℃保温至铝锭熔化，所述铝锭质量为复合材料块体质量的3倍，压入步骤(4)制备的复合材料块体，保持温度685℃，用磁力搅拌快速搅拌，待复合材料块体熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得导电率60.5％IACS、铸态强度200MPa各向同性的铝碳复合材料。
实施例3
一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备片状镀铜石墨：用市售颗粒状镀铜石墨，粒径为300目，铜质量含量为40％；颗粒状石墨的粒径为300目；铝粉的粒径为50μm，杂质含量小于0.3％；
(2)原料净化：将片状镀铜石墨用陶瓷或石墨坩埚盛放，通入氮气，并置入高温热处理炉内，升温至450℃，保持1h；降温后，置换高温热处理炉内空气为氢气，再升温至600℃，恒温3h；将片状石墨进行与所述片状镀铜石墨相同的处理；
(3)球磨纳米化处理：将净化后的片状镀铜石墨、片状石墨、铝粉、添加剂搅拌均匀后，放入行星球磨机中进行球磨处理，其中铜:铝:碳:油酸质量比为1:600:30:300，行星球磨机的氧化铝陶瓷罐体内换为氮气，行星球磨机以800rpm的速度运行3h，使得片状石墨成为表面吸附铜的石墨烯或纳米石墨烯片，得复合材料球磨混合物；
(4)压块：将复合材料球磨混合物置入不锈钢模具中，用液压机压制成复合材料块体；
(5)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，通氮气保护，升温至690℃保温至铝锭熔化，所述铝锭质量为复合材料块体质量的6倍，压入步骤(4)制备的复合材料块体，保持温度670℃，用磁力搅拌快速搅拌，待复合材料块体熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得导电率58％IACS、铸态强度280MPa各向同性的铝碳复合材料。
实施例4
一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备片状镀铜石墨：用市售颗粒状镀铜石墨，粒径为300目，铜质量含量为40％；颗粒状石墨的粒径为300目；铝粉的粒径为50μm，杂质含量小于0.3％；
(2)原料净化：将片状镀铜石墨用陶瓷或石墨坩埚盛放，通入氮气，并置入高温热处理炉内，升温至450℃，保持1h；降温后，置换高温热处理炉内空气为氢气，再升温至600℃，恒温3h；将片状石墨进行与所述片状镀铜石墨相同的处理；
(3)球磨纳米化处理：将净化后的片状镀铜石墨、片状石墨、铝粉、添加剂搅拌均匀后，放入行星球磨机中进行球磨处理，其中铜:铝:碳:油酸质量比为1:800:40:400，行星球磨机的氧化铝陶瓷罐体内换为氮气，行星球磨机以600rpm的速度运行3h，使得片状石墨成为表面吸附铜的石墨烯或纳米石墨烯片，得复合材料球磨混合物；
(4)压块：将复合材料球磨混合物置入不锈钢模具中，用液压机压制成复合材料块体；
(5)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，通氮气保护，升温至690℃保温至铝锭熔化，所述铝锭质量为复合材料块体质量的8倍，压入步骤(4)制备的复合材料块体，保持温度670℃，用磁力搅拌快速搅拌，待复合材料块体熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得导电率58.4％IACS、铸态强度200MPa各向同性的铝碳复合材料。
实施例5
一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备片状镀铜石墨：用市售颗粒状镀铜石墨，粒径为300目，铜质量含量为50％；颗粒状石墨的粒径为200目；铝粉的粒径为40μm，杂质含量小于0.3％；
(2)原料净化：将片状镀铜石墨用陶瓷或石墨坩埚盛放，通入氮气，并置入高温热处理炉内，升温至500℃，保持1h；降温后，置换高温热处理炉内空气为氢气，再升温至600℃，恒温3h；将片状石墨进行与所述片状镀铜石墨相同的处理；
(3)球磨纳米化处理：将净化后的片状镀铜石墨、片状石墨、铝粉、添加剂搅拌均匀后，放入行星球磨机中进行球磨处理，其中铜:铝:碳:油酸质量比为1:1000:50:500，行星球磨机的氧化铝陶瓷罐体内换为氮气，行星球磨机以700rpm的速度运行3h，使得片状石墨成为表面吸附铜的石墨烯或纳米石墨烯片，得复合材料球磨混合物；
(4)压块：将复合材料球磨混合物置入不锈钢模具中，用液压机压制成复合材料块体；
(5)熔炼：在中频熔炼炉中熔炼纯铝锭，通氮气保护，升温至690℃保温至铝锭熔化，所述铝锭质量为复合材料块体质量的10倍，压入步骤(4)制备的复合材料块体，保持温度670℃，用磁力搅拌快速搅拌，待复合材料块体熔化后继续搅拌，扒渣，浇铸成铝碳复合材料铸锭，即得导电率60％IACS、铸态强度180MPa各向同性的铝碳复合材料。
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)

1.一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
原料净化：将镀铜石墨放进高温箱体，通入惰性气体，进行第一次高温处理；换入还原性气体，进行第二次高温处理；将片状石墨进行与所述镀铜石墨相同的处理；
球磨纳米化处理：将净化后的镀铜石墨和片状石墨、铝粉、添加剂进行球磨处理，球磨罐内为惰性气体，得复合材料球磨混合物；
压块：将所述复合材料球磨混合物压成复合材料块体；
熔炼：在熔炼炉中通入保护性气体，熔化铝锭成铝液，将复合材料块体压入所得铝液底部，搅拌分散，浇铸成型，即得各向同性的铝碳复合材料。
2.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述镀铜石墨粒径为200～300目，镀铜石墨中铜含量为20％～50％。
3.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述片状石墨粒径为200～300目。
4.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝粉粒径30～50μm，杂质含量小于0.3％。
5.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述添加剂为硬脂酸或油酸。
6.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述原料净化步骤中，第一次高温处理温度为300～500℃；第二次高温处理温度为580～600℃。
7.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述原料净化步骤中，所述惰性气体为氮气，所述还原性气体为氢气。
8.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨罐为氧化铝陶瓷罐。
9.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述球磨纳米化处理步骤中，所述惰性气体为氮气。
10.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述球磨纳米化处理步骤中，铜:铝:碳:添加剂质量比为0.1～1:200～1000:1～50:1～500。
11.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述球磨纳米化处理步骤中，所述球磨处理的速度为300～800rpm，时间为3～5h。
12.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述熔炼步骤中，所述铝锭质量为复合材料块体质量的1～10倍。
13.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述熔炼步骤中，所述保护性气体为氮气。
14.如权利要求1所述的一种各向同性的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述熔炼步骤中，所述熔炼温度为670～700℃。
15.一种如权利要求1-14任一项所述方法制备的各向同性的铝碳复合材料。
16.一种如权利要求15所述的各向同性的铝碳复合材料的应用，所述铝碳复合材料应用于导电绞线、导电杆、导电排、导电金具或导电管。
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