CN114502293A - 成型工艺、原料材料、导电材料和/或组件 - Google Patents

Abstract

提供了用于由原料材料形成期望复合物的挤出件的剪切辅助挤出工艺。该工艺可以包括向原料材料上的相同位置施加旋转剪切力和轴向挤出力。用于此工艺的装置可以包括冲模工具，该冲模工具由冲模面限定，该冲模面在至少一个横截面中以相对于冲模工具的侧壁的大于零的角度从冲模面的边缘向内延伸；和/或限定开口的冲模工具，该开口被构造为接收用于挤出的原料材料，并且该冲模工具还限定冲模面，该冲模面限定在该冲模面内并且与开口相邻接的凹部。剪切辅助挤出工艺还提供了可以在原料材料进入开口之前，在开口周围的凹部内混合原料材料的不同部分；并且挤出所混合的部分。

Description

成型工艺、原料材料、导电材料和/或组件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年9月27日提交的序列号为62/906,911的美国临时申请的优先权和权益，其内容通过引用并入本文。本申请是于2019年9月5日提交的序列号为16/562,314的美国专利申请的部分继续申请并且要求其优先权；序列号为16/562,314的美国专利申请是于2018年7月5日提交的序列号为16/028,173的美国专利申请的部分继续申请并且要求其优先权；序列号为16/028,173的美国专利申请是于2018年2月17日提交的序列号为15/898,515(现为2020年6月30日授权的美国专利No.10,695,811)的美国专利申请的部分继续申请并且要求其优先权；序列号为15/898,515的美国专利申请是于2017年2月17日提交的序列号为62/460,227的美国临时申请和于2016年11月14日提交的序列号为15/351,201(现为2019年1月29日授权的美国专利No.10,189,063)的美国专利申请的部分继续申请并且要求其优先权；序列号为15/351,201的美国专利申请是于2016年3月25日提交的序列号为62/313,500的美国临时申请和于2014年3月21日提交的序列号为14/222,468的美国专利申请的部分继续申请并且要求其优先权和权益；序列号为14/222,468的美国专利申请要求于2013年3月22日提交的序列号为61/804,560的美国临时申请的优先权和权益；上述申请的全部内容通过引用并入本文。

关于在联邦资助的研究和开发下作出的关于发明权利的声明

本发明是根据美国能源部授予的合同DE-AC0576RL01830在政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本公开总体涉及金属技术，但更具体地涉及挤出和金属板材技术。

背景技术

交通运输对燃油效率的需求不断增加，并且对安全和法规遵从性的需求也不断增加，这些都使注意力集中在新材料和新工艺的开发和利用上。在许多情况下，进入这些领域的障碍是由于缺乏有效和高效的制造方法而引起的。例如，用镁或铝或其相关合金制成的材料替代钢制汽车零件的能力令人非常感兴趣。此外，形成具有与实心部件相同或更大强度的中空部件的能力也是另一种期望目的。先前的尝试已经失败或基于多种因素而受到限制，这包括缺乏合适的制造工艺、在合金中使用稀土来赋予期望特性的费用、以及生产的高能源成本。

所需要的是能够生产诸如以下的物体的工艺和装置：由包括或不包括稀土金属的材料(诸如镁或铝)制备的具有中空横截面的汽车或航空航天器中的部件。还需要一种用于生产这种物体的工艺和系统，其更节能、能够更简单地实施，并且生产具有期望晶粒尺寸、结构和排列的材料，以保持强度并提供足够的耐腐蚀性。还需要一种简化的工艺，该工艺能够使这种结构直接由材料的坯料、粉末或片料形成，而不需要额外的加工步骤。还需要一种比现有工艺更简单且更有效的形成高熵合金材料的新方法。本公开描述了满足这些需求的重大进展。

在过去的几年里，太平洋西北国家实验室的研究人员已经开发了一种新式剪切辅助加工和挤出(ShAPE)技术，其使用旋转的柱塞或冲模，而不是传统挤出工艺中使用的简单轴向进给的柱塞或冲模。如在下文以及在先前引用、参考和并入的专利申请中所描述的，该工艺及其相关设备提供了许多显著优势，包括降低功耗、更好的材料性能以及能够实现一套全新的“固相”型成型工艺和机械设备。设想将这些工艺和装置的优点部署在各种行业和应用中，包括但不限于运输、射弹、高温应用、结构应用、核应用和耐腐蚀应用。

本发明的各种附加优点和新颖特征在本文中进行了描述，并且对于本领域的技术人员而言，从以下详细描述中将变得更加显而易见。在前面和后面的描述中，我们通过说明被考虑为实施本发明的最佳模式的方式仅示出和描述了本发明的优选实施例。如将意识到的是，本发明能够在不背离本发明的情况下在各个方面进行修改。因此，下文阐述的优选实施例的附图和描述本质上应被视为是说明性的，而不是限制性的。

特定问题已经阻碍了冶金工业，例如将镁与铝连接起来可能会是麻烦的，因为在异种界面处会形成脆性Mg₁₇Al₁₂金属间化合物(IMC)。由于Mg和Al两者均经历熔化和凝固，对于厚、易碎的Mg₁₇Al₁₂界面层，通过诸如钨惰性气体[1]、电子束[2]、激光[3]、电阻点[4]和复合铸造[5]进行的传统焊接是不利的。

为了减少Mg₁₇Al₁₂的不利影响，已经采用了许多技术。例如，扩散接合、超声波点焊、放电铆接和摩擦搅拌方法。搅拌摩擦焊接(FSW)及其许多衍生产品已经受到了一些关注，但研究尚未充分解决在异种界面处形成有脆性Mg₁₇Al₁₂界面层的基本问题。

此外，如果不受到成本的阻碍，则某些非常有用的材料(诸如Mg材料)可能会被增加使用。例如，在汽车行业，对于使用Mg板材的情况，成本是第一大障碍。与铝和钢不同，Mg合金在铸态状态下不易被热滚压，因为它容易开裂。因此，Mg合金通常通过双辊铸造工艺或使用多步热滚压方法进行滚压，这使得板材成型工艺成本高昂。冷滚压甚至更容易开裂，因此仅限于小减速比(即低产量)，这也使得该工艺缓慢且成本高。

在能量转换和能量传输领域，需要开发与市场替代品相比具有改进的电性能，特别是更高的导电率和电流密度的材料(合金、复合材料等)。目前，用于电气应用的部件(诸如架空导线、电机、逆变器和发电机)通常使用铜和铝来开发。这些合金(诸如C10100、C11000、C15000、AA1100、AA1350、AA8002)被设计为杂质最少，但偶尔会包含添加剂来提高金属基材的机械性能、耐磨性和耐腐蚀性，然而这样做会牺牲导电性。这是因为传统上，在金属中引入添加剂会增加电荷散射，从而不利于载流子传输特性。在金属中引入添加剂来制造实现提高电气性能目的的合金或复合材料的技术还存在重大差距。

发明内容

提供了用于由原料材料形成期望复合物的挤出件的剪切辅助挤出工艺。该工艺可以包括使用由冲模面限定的冲模工具来将旋转剪切力和轴向挤出力施加到原料材料上的相同位置，冲模面在至少一个横截面中以相对于冲模工具的侧壁的大于零的角度从冲模面的边缘向内延伸。

提供了用于执行剪切辅助挤出的装置。该装置可以包括冲模工具，该冲模工具由冲模面限定，该冲模面在至少一个横截面中以相对于冲模工具的侧壁的大于零的角度从冲模面的边缘向内延伸。

提供了用于由原料材料形成期望复合物的挤出件的剪切辅助挤出工艺，该工艺可以包括使用冲模工具向原料材料上的相同位置施加旋转剪切力和轴向挤出力，该冲模工具限定开口，该开口被构造为接收用于进行挤出的原料材料，并且该冲模工具还限定冲模面，该冲模面限定在该冲模面内并且与开口相邻接的凹部。

还提供了用于执行剪切辅助挤出的装置，该装置可以包括：冲模工具，该冲模工具限定开口，该开口被构造为接收用于挤出的原料材料，并且该冲模工具还限定冲模面，该冲模面限定在该冲模面内并且与开口相邻接的凹部。

还提供了剪切辅助挤出工艺，该工艺可以包括：使用冲模工具向原料材料施加旋转剪切力和轴向挤出力，该冲模工具限定冲模面和位于冲模面内的开口，该开口被构造为接收用于挤出的原料材料；在原料材料进入开口之前，在开口周围的凹部内混合原料材料的不同部分；并且挤出所混合的部分。

提供了用于形成金属-NCCF挤出件的剪切辅助挤出工艺(ShAPE)。该工艺可以包括：使用冲模工具，将旋转剪切力和轴向挤出力施加到包含金属和NCCF(纳米晶碳形式)的原料材料；并且通过冲模工具中的开口挤出包含金属和NCCF的混合物以形成金属-NCCF挤出件。

提供了可以包括金属和NCCF的ShAPE原料材料。

提供了实心材料混合物，其可以包括：金属和/或金属的组合物；以及NCCF，该NCCF可以包括诸如碳纳米管、石墨烯、纳米石墨、巴基球、结晶碳颗粒、碳量子点和纳米金刚石的碳形式的一种或更多种。材料混合物的金属和NCCF的部分可以具有优选的晶体取向或各向同性晶体取向。

部分依赖于导电性的组件可以包括：导电实心材料混合物，其包括：金属；以及NCCF。用于制造金属-NCCF ShAPE挤出物的金属前体或原料可以呈例如碎片、颗粒、粉末、膜、箔、块、盘片或实心坯料的形式。

本说明书提供了用于由原料材料形成期望复合物的非圆形中空轮廓挤出件的剪切辅助挤出工艺。总体上，这是通过使用其中限定有多个凹槽的涡旋面同时向原料材料上的相同位置施加旋转剪切力和轴向挤出力来实现的。这些凹槽被构造成将经塑化的材料从第一位置(通常在材料和涡旋面之间的界面上)通过限定在涡旋面内的入口引导到第二位置(通常在冲模支承表面上)。在该位置，分离的经塑化的材料的流被重新组合并且重新构造成具有预选特性的期望形状。

在一些应用中，涡旋面具有多个入口，每个入口被构造为引导经塑化的材料通过涡旋面并且在统一的或分开的期望位置处重新组合。在所描述的特定应用中，涡旋面具有两组凹槽，一组用于将材料从外向内引导，另一组被构造为将材料从内向外引导。在某些情况下，第三组凹槽环绕涡旋面以容纳材料并且防止向外飞边。

该工艺提供了许多优点，包括形成在较低温度、较低力和显著低于其他工艺所需的挤出力和电功率的情况下具有更好强度和耐腐蚀性特性的材料。

例如，在一种情况下，经塑化的材料的挤出是在低于150℃的冲模面温度下进行的。在其他情况下，轴向挤出压力等于或低于50MPa。在一个特定示例中，在轴向挤出压力等于或低于25MPa且温度低于100℃的布置中，将坯料形式的镁合金挤出成期望形式。尽管提供这些示例是出于说明性的原因，但应清楚地理解，本说明书还设想了多种替代构造和替代实施例。

当前所公开的实施例的另一优点在于，能够从包括坯料、片状粉末等的多种原始材料生产高质量的挤出材料，而不需要额外的预处理或后处理来获得期望结果。除了该工艺之外，本公开还提供了用于执行剪切辅助挤出的装置的示例性描述。在一种构造中，该装置具有涡旋面，该涡旋面被构造为向材料上的相同预选位置施加旋转剪切力和轴向挤出力，其中在相同位置上的旋转剪切力和轴向挤出力的组合使得材料的一部分被塑化。涡旋面还具有至少一个凹槽和限定在涡旋面内的入口。凹槽被构造为将经塑化的材料的流从第一位置(通常在涡旋的面上)引导通过入口到达第二位置(通常在涡旋的后侧并且在沿着具有冲模支承表面的芯模的某些位置上)，其中经塑化的材料在通过涡旋面之后重新组合以在这些第二位置处或附近形成具有预选特征的挤出材料。

该工艺提供了大量的优点和工业应用。例如，与传统挤出技术相比，该技术能够使用于车辆部件的金属线材、杆材和管材的挤出件的延展性和能量吸收能力提高50％至100％，同时显著降低制造成本；并且这是在比传统挤出设备中使用的机器更小且更便宜的机器上进行的。此外，该工艺生产的挤出件由轻质材料(例如镁和铝合金)制成，因此具有改进的机械性能，这无法使用传统挤出工艺来实现，并且该工艺可以仅以一个步骤直接由粉末、片料或坯料完成，从而与传统挤出工艺相比，显著降低了整体能源消耗和加工时间。

例如，本工艺和装置的应用可以用于形成汽车前端的部件，其中预计通过用更轻质的镁代替铝部件可以实现减轻30％的重量，而用镁代替钢可以实现减轻75％的重量。通常以这种实施例进行加工需要在镁合金中使用稀土元素来实现适用于结构能量吸收应用的特性。然而，这些稀土元素既昂贵又稀有，并且在许多情况下都存在于环境困难的地区，这使得镁挤出件对于除了最独特车辆之外的所有车辆来说都过于昂贵。因此，仅通用客运车辆的重量的少于1％来自于镁。然而，下文描述的工艺和装置使得使用非稀土镁合金能够获得与使用稀土材料的合金相当的结果。除了将功耗降低十倍(由于显著减少了生产挤出件所需的力)以及更小的机器占地面积要求外，这还节省了额外的成本。

因此，本技术可以直接应用于制造用于汽车的轻质镁部件(诸如前端保险杠梁和冲击罐)。除了汽车之外，本发明的部署还可以推动各种行业(诸如航空航天、电力行业、半导体等)的进一步创新和发展。例如，本技术可以用于生产电力行业中的热交换器的抗蠕变钢，以及用于电动机的高导电铜和高级磁铁。它还被用于生产用于航空航天工业的高强度铝杆材，其中以一个单独步骤直接由粉末挤出杆材，并且其延展性是传统挤出工艺的两倍。此外，固态冷却行业正在研究使用这些方法来生产半导体热电材料。

本公开的工艺允许对诸如以下的各种特征进行精确控制：晶粒尺寸和晶体取向，即用于确定挤出件的机械性能(例如强度、延展性和能量吸收率)的特性。本技术生产具有超细粒度(＜1微米)的镁和铝合金的晶粒尺寸，这表示与原始材料相比减少了10至100倍。在镁中，晶体取向可以远离挤出方向排列，这就是通过消除拉伸强度和压缩强度之间的各向异性来使材料具有如此高的能量吸收率的原因。已经实现了45度的偏移，这是最大化镁合金中的能量吸收率的理想方式。可以通过调整螺旋槽的几何形状、冲模的旋转速度、在材料-冲模界面处和材料内部产生的热量的量、以及用于推动材料通过冲模的力的程度来获得对晶粒细化和晶体取向的控制。

此外，本挤出工艺允许以工业规模生产具有所设计的结构特性的材料。与仅能生产实验室规模的产品的苛刻塑性变形技术不同，ShAPE能够扩展到工业生产率、长度和几何形状。除了控制晶粒尺寸外，还示出了额外的微结构控制层，其中可以在管材的壁厚上设计晶粒尺寸和结构-这是重要的，因为可以根据最终应用是否承受张力、压缩力还是内部压力来优化挤出件的机械性能。这可以使汽车部件在使用更少材料的同时，在碰撞过程中也更能抵抗失效。

本工艺结合了线性剪切和旋转剪切，使得与传统挤出相比，使挤出力降低10倍。这意味着与传统的挤出设备相比，液压油缸、支撑部件、机械结构和整体占地面积的尺寸可以显著缩小，从而使得生产机器大幅度变小，并且降低资本支出和运营成本。本工艺通过系统坯料和涡旋面冲模之间的界面处的并且来自挤出材料内的塑性剪切变形的摩擦力来产生用于生产挤出件所需的所有热量，因此不需要使用其他方法的来进行预热和外部加热。这会显著降低功耗；例如，生产2英寸直径的镁管材使用了11kW的电力，这与操作住宅厨房烤箱所需的电力相同，即与传统挤出相比，功耗降低了10至20倍。已经示出与传统挤出的挤出比50∶1相比，使用所描述的工艺的镁合金的挤出比高达200∶1，这意味着实现最终挤出直径所需的材料通过机器的重复道次更少或没有，即与传统挤出相比，生产成本更低。

最后，研究已经表明，与传统挤出的ZK60相比，在本工艺下挤出的非稀土ZK60镁的腐蚀速率降低了10倍。这是由于具有高度细化的晶粒尺寸，以及使均匀分布的(甚至溶解的)通常用作腐蚀起始位点的第二相颗粒分解的能力。为了减少腐蚀，ShaPE工艺也被用于用铝涂层包覆镁挤出件。

还提供了用于由原料材料形成期望复合物的挤出件的剪切辅助挤出工艺。该工艺可以包括使用具有涡旋面的涡旋件向原料材料上的相同位置施加旋转剪切力和轴向挤出力。涡旋面可以具有由外径部分界定的内径部分，以及从内径部分延伸超过外径部分的表面的构件。

还提供了用于执行剪切辅助挤出的装置。该装置可以包括具有涡旋面的涡旋件，该涡旋面具有由外径部分界定的内径部分，以及从内径部分延伸超过外径部分的表面的构件。

还提供了用于从原料材料形成期望复合物的挤出件的挤出工艺。该工艺可以包括：提供用于挤出的原料，其中该原料包括至少两种不同的材料。该工艺可以包括在原料容器内使材料彼此接合，其中接合限定了两种不同材料之间的界面。该工艺可以持续挤出所接合的原料材料以形成挤出产品，该挤出产品包括第一部分，该第一部分包括两种材料中的结合到第二部分的一种材料，第二部分包括两种材料中的另一种材料。根据示例性实施方式，经过广泛改进，已经表明由铸件制成的坯料可以以一个单独步骤被挤出成高性能挤出件。

还提供了挤出原料材料，其可以包括原料材料的互锁坯料。例如，这些互锁坯料可以用于接合异种材料和合金。

还提供了用于制备金属板的方法。该方法可以包括：通过剪切辅助加工和挤出来制备金属管材；展开金属管材以形成具有第一厚度的板材；并且将该板材滚压成小于第一厚度的第二厚度。

本公开的各种优点和新颖特征在本文中进行了描述，并且对于本领域技术人员而言，将从以下详细描述中变得更显而易见。在前面和下面的描述中，已经通过说明被预期为执行本公开的最佳模式的方式提供了本公开的示例性实施例。如将意识到的，本公开能够在不背离本公开的情况下在多个方面进行修改。因此，下文阐述的优选实施例的附图和描述本质上应被视为说明性的，而不是限制性的。

附图说明

下面将参照以下附图来描述本公开的实施例。

图1A示出用于挤出中空截面件的ShAPE设备。

图1B示出用于挤出中空截面件的另一种构造。

图2A示出用于口式桥冲模的改进的涡旋面工具的顶部立体图。

图2B示出类似于口式桥冲模操作的修改后的涡旋面的底部立体图。

图2C示出修改后的口式桥冲模的侧视图。

图3示出使用图1A-2C中所示的至少一些装置而分离的材料的示意图。

图4A示出用于将高熵合金(HEA)从电弧熔化圆盘固结成致密圆盘的ShAPE设备。

图4B示出图4A中的旋转工具的涡旋面的示例。

图4C示出HEA电弧熔化样品在处理之前被粉碎并放置在ShAPE装置的腔室内的示例。

图5示出用于扫描在ShAPE加工前的HEA电弧熔化样品的横截面的电子显微镜(BSE-SEM)图像、示出孔隙率、金属间相和芯状树枝晶微结构的背散射电子。

图6A示出由图4C中的材料加工得到的圆盘底部处的BSE-SEM图像。

图6B示出圆盘中间的BSE-SEM图像。

图6C示出高剪切区域与非均匀区域(距圆盘表面约0.3mm)之间的界面的BSE-SEM图像。

图6D示出高剪切区域的BSE-SEM图像。

图7描绘根据本公开的实施例的一系列不同的冲模面构造。

图8是根据本公开的实施例的冲模面工具的等距视图。

图9A-9C描绘根据本公开的实施例的冲模面。

图10A-10C描绘根据本公开的实施例的冲模面。

图11A-11C描绘根据本公开的实施例的冲模面。

图12A-12C描绘根据本公开的实施例的冲模面。

图13A-13C描绘根据本公开的实施例的冲模面。

图14A-14B描绘根据本公开的实施例的对原始材料使用冲模面。

图15描绘根据本公开的实施例的对原始材料使用冲模面。

图16描绘根据本公开的实施例的冲模。

图17描绘根据本公开的实施例的挤出材料以及原始材料的剩余部分。

图18描绘根据本公开的实施例的冲模。

图19描绘根据本公开的实施例的冲模。例如，出于本公开的目的的冲模指的是涡旋面或结合冲模。

图20是示出利用本公开的冲模构造来减小挤出力的数据。

图21描绘利用本公开的冲模来减小电机扭矩的数据。

图22描绘根据本公开的实施例的两个冲模，一个冲模具有平面并且另一个冲模具有圆锥面。

图23描绘示出根据本公开的实施例的利用冲模来减小力的数据。

图24再次是示出根据本公开的实施例的利用冲模来减小扭矩的数据。

图25描绘示出根据本公开的实施例的利用冲模来降低温度的数据。

图26描绘根据本公开的实施例的对应于挤出材料的冲模。

图27-28描绘根据本公开的实施例的对应于挤出材料的冲模。

图29-30描绘根据本公开的实施例的利用不同冲模挤出的产品材料。

图31是根据本公开的实施例的冲模。

图32是根据本公开的实施例的另一冲模。

图33描绘利用根据本公开的实施例的冲模生产的挤出材料。

图34是根据本公开的实施例的不同冲模的数据。

图35是根据本公开的实施例的利用冲模获得的数据。

图36是具有固结横截面的Mg-Al挤出件的一系列照片，并且在(B)中示出在异种界面(C)处不存在Mg₁₇Al₁₂界面层的Mg和Al之间的成分的梯度。

图37描绘根据本公开的实施例的示例挤出组件并且还描绘根据本公开的实施例的原料材料接合和/或原料界面。

图38描绘没有Mg₁₇Al₁₂界面层的挤出材料。

图39描绘根据本公开的实施例的具有使用接合的原料材料制备的分级界面层的挤出材料。

图40描绘根据本公开的实施例的在突变过渡层处结合的两个成分AA7075和AA6061。

图41是根据本公开的实施例的示例滚压机组件。

图42示出根据本公开的实施例的用于制备挤出成型管材、展开管材和管材的滚压的工艺步骤。

图43A和43B描绘根据本公开的实施例的示例挤出组件以及根据本公开的实施例的示例挤出材料。

图44示出根据本公开的实施例的用于通过16道次来制备金属板材的工艺步骤。

图45示出根据本公开的实施例的具有各种构造的0.005英寸厚的板材。

图46示出根据本公开的实施例的每滚压道次的压下率。

图47是根据本公开的实施例的示例工艺和系统。

图48是根据本公开的实施例的示例原料材料。

图49是根据本公开的实施例的示例原料制备。

图50是根据本公开的实施例的示例原料材料。

图51是根据本公开的实施例的工艺和/或系统参数。

图52描绘根据本公开的实施例的原料材料。

图53描绘根据本公开的实施例的在各种横截面中的示出具有最小孔隙率的固结铜-石墨烯微结构的经加工原料材料或剩余原料材料。

图54是根据本公开的实施例的挤出材料的横截面。

图55是根据本公开的实施例的挤出材料的横截面。

图56是根据本公开的实施例的挤出材料的横截面和更详细的横截面视图。

图57是根据本公开的实施例的所利用的机械应力测试装置。

图58是根据本公开的实施例的在机械应力测试下的挤出材料。

图59是根据本公开的实施例的挤出材料。

图60是根据本公开的实施例的进行机械应力测试的挤出材料。

图61描绘根据本公开的实施例的挤出材料的机械性能数据。

图62描绘根据本公开的实施例的挤出材料的机械性能数据。

图63描绘根据本公开的实施例的挤出材料的电导率数据。

图64描绘根据本公开的实施例的在升高温度下的挤出材料的电阻率数据。

图65描绘根据本公开的实施例的挤出材料的附加详细材料特性数据。

具体实施方式

包括所附页面的以下描述提供了本发明的各种示例。从本发明的描述中将清楚的是，本发明不限于这些所示的实施例，而是本发明还包括对所示实施例的各种修改和实施方式。因此，本描述应被视为说明性的而非限制性的。尽管本发明易于实现各种修改和替代构造，但应理解，这并不旨在将本发明限于所公开的特定形式，相反，本发明将涵盖所有修改、替代构造并且落入如权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的等同方案。

在先前描述的相关申请中，描述了各种方法和技术，其中所描述的技术和装置(称为ShAPE)被示出为提供了许多显著优势，包括在横截面厚度上控制微结构(诸如晶体结构)的能力，同时还提供了执行各种其他任务的能力。在本描述中，我们提供了有关使用ShAPE技术来形成具有非圆形中空轮廓的材料的信息，以及用于制造可用于各种应用(诸如射弹)的高熵合金的方法。下面将更详细地讨论示例性应用。

现在首先参考图1a和图1b，提供了ShAPE装置和布置的示例。在诸如图1A所示的布置中，旋转冲模10在特定条件下被推入材料20中，从而使冲模面12和冲模插入部16的旋转力和剪切力结合，以在冲模面12和材料20的界面处加热和/或塑化材料20，使得经塑化的材料以直接或间接的方式沿期望方向流动。(在其他实施例中，材料20可以旋转并且冲模10被轴向推入材料20中，从而在材料面处提供这种力的组合。)在任一情况下，轴向力和旋转力的组合都会使材料20在与冲模面12的界面处塑化。然后，可以将经塑化的材料的流引导到另一位置，其中具有预选长度的冲模支承表面24有利于将经塑化的材料重组成其中可以发生对新且更细的晶粒进行微观层面的尺寸和结构控制的布置。然后，这将被转化为具有期望特性的挤出产品22。该过程能够在宏观层面上实现更好的强度、延展性和耐腐蚀性，并且性能得以提高和改善。该过程可以无需额外的加热，并且该过程可以利用包括坯料、粉末或片料的各种形式的材料，并且无需诸如以下的大量准备过程：“将钢状罐”、坯料预热、脱气、去装罐以及其他还可以利用的过程步骤。这种布置还提供了用于执行其他步骤(诸如熔覆)的方法、增强了对壁厚上的以及其他特性的控制、将不同材料与合金接合、以及用于后续滚压操作的有益原料材料。

这种布置不同于现有技术的挤出方法，并且提供了优于现有技术的挤出方法的各种优点。首先，在挤出过程中，力在开始时上升到峰值，然后挤出一开始就下降。这被称为突破。在ShAPE工艺中，突破点的温度会非常低。例如，对于制备Mg管材的示例，2”OD、75mil壁厚的ZK60管的突破温度为＜150C。这种较低的突破温度被认为部分地导致了所得挤出产品的卓越构造和性能。

另一特点是低挤出系数kf，其表示对挤出的阻力(即越低的kf表示越低的挤出力/挤出压力)。对于分别由ZK60-T5杆材和ZK60铸件制成的挤出件(2”OD、75mil壁厚)，Kf被分别计算为2.55MPa和2.43MPa。与以传统方式挤出的镁相比(其中kf范围为68.9-137.9MPa)，冲压力和kf都非常低。因此，与传统挤出相比，ShAPE工艺的kf(以及冲压力)降低了20-50倍。这不仅在所得材料的性能方面是有帮助的，而且有助于降低制造所需的能源消耗。例如，在挤出ZK60-T5杆材和ZK60铸件(2”OD、75mil壁厚)管材的过程期间挤出ZK60-T5杆材和ZK60铸件(2”OD、75mil壁厚)管材所需的电力为11.5kW。这远低于使用加热的容器/坯料的传统方法。在将高性能铝粉直接挤出成线材、杆材和管材时，也观察到了类似的kf降低。

ShAPE工艺与摩擦搅拌反挤出(FSBE)存在显著的不同。在FSBE中，旋转的芯模被冲压成被包围的坯料，就像钻孔操作一样。涡旋凹槽向外推动材料，并且将材料围绕芯模向后挤出并且挤出到芯模上以形成管材，而没有通过冲模推动材料。因此，可以仅具有非常小的挤出比，没有在壁厚上对管材进行完全加工，无法将挤出件从芯模上推出，并且管的长度受限于芯模的长度。相比之下，ShAPE利用冲模面上的螺旋槽，以通过冲模向内进给材料并且使材料围绕与挤出件沿相同的方向行进的芯模。因此，可以实现更大的外径和挤出比，可以在壁厚上均匀地加工材料，可以像传统挤出那样自由地将挤出件从芯模上推出，并且挤出件长度仅受限于坯料的初始体积。ShAPE可以被扩展到制造水平，而FBSE自从首次报道以来，FSBE的局限性已经使该技术成为不可扩展的学术兴趣。

图1B中示出了使用ShAPE装置和芯模18的布置的示例。该装置和相关工艺有可能成为制造各种材料的低成本制造技术。如以下将更详细地描述的，除了修改各种参数(诸如工艺的进给速率、热量、压力和旋转速率)之外，工具的各种机械元件也有助于实现各种期望的结果。例如，挤出冲模12的面上的不同涡旋图案14可以用于影响/控制所得材料的各种特征。这可以包括沿挤出长度和穿过挤出管材的壁厚控制晶粒尺寸和晶体结构以及其他特征。参数的改变可以用于有利地改变散装材料的特性(诸如延展性和强度)，并且允许针对特定的工程应用(包括改变对挤压、压力或弯曲的阻力)进行设计。涡旋图案还被发现为在穿过挤出件的厚度方面影响晶粒尺寸和结构。

ShAPE工艺已被使用以形成各种材料的各种结构，包括如下表中描述的布置。

表1

除了上述的圆盘、杆材和管材之外，本公开还提供了对使用特定构造的涡旋部件(被发明人称为口式桥冲模头)的描述，该特定构造的涡旋部件允许制造具有非圆形中空轮廓的ShAPE挤出件。这种构造允许使用特定成型的口式桥冲模和相关工具来制造具有非圆形和多区域的中空轮廓的挤出件。

图2A-2C示出了具有对于ShAPE工艺中的操作所独有的改进式涡旋面的口式桥冲模设计的各种视图。图2A示出了口式桥冲模的顶部上的涡旋面的等距视图，并且图2B示出了芯模可见的口式桥冲模的底部的等距视图。

在本实施例中，冲模10的面12上的凹槽13、15将经塑化的材料引向孔口17。然后，经塑化的材料穿过孔口12，其中经塑化的材料被引导到焊接室内的冲模支承表面24，这类似于传统的口式桥冲模挤出。在该说明性示例中，由于坯料和冲模在旋转时被迫彼此抵靠，所以使用四个口部17将材料流分成四个不同的流。

冲模面上的外部凹槽15朝向口部17向内进给材料，而冲模面上的内部凹槽13朝向口部17径向向外地进给材料。在该说明性示例中，针对总共有四个向外流动的凹槽的情况，一个凹槽13朝向每个口部17径向向外地进给材料。冲模面12上的外部凹槽15朝向口部17径向向内地进给材料。在该说明性示例中，针对总共有八个向内进料凹槽15的情况，两个凹槽朝向每个口部17径向向内地进给材料。除了这两组凹槽之外，图2C中所示的位于冲模的外周上的周边凹槽19被定向成与冲模旋转方向相反，以便提供背压，从而在挤出过程中使容器和冲模之间的材料飞边最小化。

图2B示出了口式桥冲模12的底部立体图。在该视图中，冲模示出了一系列完全穿透的口部17。在使用中，由上述的向内定向的凹槽15和向外定向的凹槽13汇集的经塑化的材料的流穿过这些穿透部分17，然后在焊接室21中重新组合，然后围绕芯模18流动以产生期望的横截面。使用涡旋凹槽13、15、19以在旋转期间向口部17进料-即一种将原料(例如粉末、片料、坯料等)的材料流分成不同的流动流的方法，据我们所知从未进行过这种方法。这种布置能够形成具有非圆形中空横截面的物体。

图3示出了在ShAPE加工期间使用口式桥冲模方法来将镁合金ZK60分成多个流。(在这种情况下，允许将材料分离以示出分离特征的效果并进行说明，并且材料不通过冲模支承表面进行组合)。传统的挤出不发生旋转，并且增加凹槽会极大地阻碍材料流动。但是当存在旋转(诸如在ShAPE或摩擦挤出中)时，涡旋不仅有助于流动，而且很有助于口式桥冲模挤出件17起作用以及非圆形中空轮廓挤出件的后续形成。在没有向口部进料的涡旋凹槽时，使用涉及旋转加工的经由口式桥冲模方法的挤出(诸如ShAPE)将不会制造出具有这种构造的物体。现有技术的常规线性挤出工艺教导不使用表面特征来在挤出过程中将材料引导到口部17中。

在先前描述的相关申请中描述了各种方法和技术，其中ShAPE技术和装置被示出为提供了许多显著优势，包括在横截面厚度上控制微结构(诸如晶体结构)的能力，同时还提供了执行各种其他任务的能力。在本描述中，我们提供了有关使用ShAPE技术来形成具有非圆形中空轮廓的材料的信息，以及用于制造可用于各种应用的高熵合金的方法。下面将更详细地讨论这两个示例性应用。

图4A示出了ShAPE工艺的示意图，其使用了旋转工具来施加负载/压力，同时旋转有助于施加扭转力/剪切力，以在工具和原料之间的界面处并且在材料内部产生热量，从而有助于使材料固结。在该特定实施例中，ShAPE装置的布置被构造为将高熵合金(HEA)电弧熔化按钮固结成致密圆盘。在这种布置中，旋转柱塞工具由铬镍铁合金制成并且外径(OD)为25.4mm，柱塞面上的涡旋的深度为0.5mm、螺距为4mm并且总共有2.25圈。在这种情况下，可以在柱塞表面并入热电偶，以在加工过程期间记录界面处的温度。(参见图4B)该装置使柱塞能够以25至1500RPM的速度旋转。

在使用中，轴向力和旋转力都被施加到感兴趣的材料，从而使材料塑化。在挤出应用中，经塑化的材料然后流过冲模承载表面，该冲模承载表面的尺寸被确定为使得经塑化的材料可以在具有比传统挤出加工中可能的粒度分布和排列更优异的粒度分布和排列的布置中重新组合。如在先前相关申请中所描述的，该工艺提供了传统现有技术的挤出加工根本无法实现的许多优点和特征。

高熵合金通常是由五种或更多种主要元素以相等或接近相等的摩尔(或原子)比制备成的固溶合金。虽然这种布置可以提供各种优点，但它也提供了各种挑战，特别是在成型方面。虽然常规合金可以包括主要控制HEA中的合金系统(例如，镍基合金、钛基合金、铝基合金等)的基础冶金的一个主要元素，但是HEA的五种(或更多种)成分中的每一种都可以被认为是主要元素。这种材料生产方面的进步可以为它们最终在各种应用中的部署打开大门。然而，标准成型工艺在这方面已经表现出明显的局限性。使用ShAPE类型的工艺证明了有希望获得这种结果。

在一个示例中，形成了“低密度”AlCuFe(Mg)Ti HEA。从将电弧熔化合金按钮作为前体开始，ShAPE工艺被用于同时加热、均匀化和固结HEA，从而得到一种克服与现有技术应用相关的各种问题并且提供各种优势的材料。在这个具体示例中，HEA按钮在10^-6Torr真空下的熔炉中使用商店有售的纯铝、镁、钛、铜和铁进行电弧熔化。由于镁的蒸气压较高，所以大部分镁被蒸发并形成Al1Mg0.1Cu2.5Fe1Ti15，而没有形成预期的Al1Mg1Cu1Fe1Ti1合金。上述段落中描述的电弧熔化按钮很容易用锤子击碎，然后用于填充冲模腔/粉末室(图4C)，并且启动剪切辅助挤出工艺。所填充的材料的体积分数小于75％，但是当在最大压力设置为85MPa和175MPa的负载控制下以500RPM旋转工具时所填充的材料被固结。

电弧熔化材料与在ShAPE工艺下开发的材料之间的比较示出了各种不同。LWHEA的电弧熔化按钮在沿着包含金属间颗粒和孔隙的区域上呈现出带芯的树枝状微结构。使用ShAPE工艺消除了这些微结构缺陷，从而形成单相、细化晶粒和无孔隙的LWHEA样品。

图5示出了铸态/电弧熔化样品的背散射SEM(BSE-SEM)图像。电弧熔化样品具有带芯的树枝状微结构，其树枝晶富含铁、铝和钛并且直径为15-30μm，而树枝晶间区域富含铜、铝和镁。铝均匀地分布在整个微结构中。这种微结构是典型的HEA合金。树枝晶间区域似乎富含Al-Cu-Ti金属间，并且被XRD验证为AlCu₂Ti。XRD还确认了没有被EDS分析确定并且整个基质是BCC相的Cu₂Mg相。金属间在树枝晶间区域中形成了共晶结构，并且长度和宽度约为5-10μm。树枝晶间区域之间也具有约1-2vol％(容量百分比)的孔隙率，因此难以测量其密度。

通常，通过持续加热数小时来使温度保持为接近合金的熔点，来使这种微结构均匀化。在缺少此类新合金系统的热力学数据和扩散动力学的情况下，难以预测各种相形成或沉淀的确切点，尤其是与各种温度和冷却速率有关的各种相形成或沉淀的确切点。此外，即使在热处理之后，与金属间相的持久性相关的不可预测性以及它们形态的保持性也会导致进一步复杂化的难题。典型的层状且长的金属间相在常规加工过程(诸如挤出和滚压)中难以处理，并且对机械性能(伸长率)也不利。

使用ShAPE工艺可以在不进行均匀化热处理的情况下使微结构细化，并且为上述复杂化的难题提供解决方案。由于电弧熔化按钮具有它们各自的孔隙率和金属间相，所以很容易破碎成小块以填充在ShAPE设备的冲模腔中。进行了两次单独的如表1中所述的运行，两次过程都产生了直径为25.4mm、高度约为6mm的圆盘。之后，将圆盘在中央处切开，以将微结构发展评估为其深度的函数。通常在ShAPE固结过程中，剪切作用是造成界面处的结构变形和增加界面温度的原因，其中剪切作用与转速和扭矩成比例，同时直线运动和由剪切产生的热量导致了固结。根据操作时间和所施加的接近于穿过厚度的力，也可以实现固结。

表2：用于LWHEA的固结加工条件

运行#	压力(MPa)	工具RPM	工艺温度	停留时间
					1	175	500		180s
2	85	500	600℃	180s

图6A-6D示出了从基本未处理的圆盘底部到工具坯料界面处的完全固结区域的一系列BSE-SEM图像。微结构从圆盘底部到施加剪切的界面逐渐变化。圆盘的底部具有类似于图5中描述的微结构的微结构。但是当朝向界面移动的圆盘被检查时，这些树枝晶的尺寸变为紧密地间隔开(图6B)。在树枝晶间区域仍然存在金属间相，但是完全消除了孔隙。在宏观尺度上，圆盘看起来更连续，并且从顶部到底部的3/4部分没有任何孔隙。图6C示出了剪切作用更为突出的界面。该区域清楚地将铸态铸造树枝状结构与由剪切作用引起的混合和塑性变形区分开。从该区域到圆盘顶部观察到螺旋图案。这说明了由于工具表面上的涡旋图案而引起的搅拌作用。如图6C和6D所示，这种剪切作用还使得金属间颗粒被粉碎，也有助于材料的均匀化。应当注意的是，整个过程仅持续了180秒来将金属间颗粒均匀化和均匀分散并且粉碎。这些金属间颗粒中的一些被重新溶解到基质中的可能性非常高。均匀化区域距圆盘表面为近0.3mm。

ShAPE装置和技术的使用展示了一种无需预热坯料的新式单步加工方法。使用这种新式工艺显著减少了使材料均匀化所需的时间。根据早期的工作，剪切作用和涡旋的存在有助于粉碎次级相并产生螺旋图案。所有这些都为降低最终产品的成本提供了重要机会，并且不会影响性能，同时将微结构调整为具有期望特性。在铸造材料的ShAPE期间，在镁合金和铝合金中也观察到了类似的加速的均匀化。

非常多类型的合金表现出了室温和高温下的高强度、良好的机械加工性、高耐磨性和耐腐蚀性，这些材料可以被视为各种应用中的替代品。难熔的HE合金可以替代在诸如燃气轮机的应用中所使用的昂贵的超级合金以及在煤气化热交换器中使用的昂贵的铬镍铁合金。轻质的HE合金可以替代用于车辆和飞机的铝和镁合金。使用ShAPE工艺进行挤出将能够实现这些类型的部署。

接下来参考图7，通过参考不同的实施方式A、B和C来公开用于执行剪切辅助挤出的装置。根据示例性实施方式，装置100可以是具有涡旋面110的涡旋体，该涡旋面110包括内径部分104以及外径部分106。因此，基于一个横截面示出了这三个涡旋面。如本文中所示和描绘的，从正面观看，这三个涡旋面将具有圆形构造。因此，内径部分104可以延伸超出外径部分106的表面110。装置100可以包括布置在外径部分内并且延伸穿过装置的孔115。如所示出和描绘的，可以由从表面110延伸的构件来限定内部部分104、114和116。根据替代实施方式，该构件可以不占据内部部分104的全部，而仅占据一部分。根据示例性实施方式，部分104的一个横截面可以是矩形的，并且参考实施方式B，部分114的一个横截面可以是梯形的，并且参考实施方式C，部分116的一个实施方式可以是圆锥形的。在这些实施方式的每一个中，构件可以具有侧壁，并且这些侧壁可以在其上限定结构，例如这些结构可以是凹槽和/或延伸部，其中该凹槽和/或延伸部提供材料朝向涡旋面的周边的过渡，然后将引导正在被处理的材料通过孔115。接下来参考图8，以等轴测视图描绘了具有内部部分104和外部部分106的示例涡旋面装置。因此，该装置可以包括凸起部分140、142和/或144。这些部分可以提供在预定方向上的材料的流。例如，部分140可以被构造为将材料提供到孔115内，而部分142可以被构造为将材料提供到相同的孔115内，从而提供朝向彼此的材料的流。当使用该装置时，可以提供部分144以满足机械需求。

根据示例实施方式，剪切辅助加工和挤出(ShAPE^TM)可以用于将镁合金和铝合金接合成对接接头构造。可以在固相状态下并且在存在剪切的情况下发生接合，可以从Mg-Al界面消除脆性Mg₁₇Al₁₂金属间层。在没有Mg₁₇Al₁₂的情况下，接头成分可以逐渐从Mg过渡到Al，这与存在Mg₁₇Al₁₂界面层的接头相比可以提高机械性能。

正如所提到的那样，在异种界面处没有形成脆性Mg₁₇Al₁₂界面层的情况下难以执行Mg-Al接合。已使用本公开的工艺进行接合的材料的示例应用包括但不限于：

·轻质的铆钉和螺栓(即带镁头部的铝柄，反之亦然)

·结构构件的多材料挤出件(拼焊挤出件)

·对薄壁管纵切和滚压而形成的Mg-Al拼焊板坯

·由于电镀梯度Mg-Al界面所实现的耐腐蚀接头

·不同的Mg合金或Al合金接头对(即AA6061至AA7075)

参考图9A-9C，示出了挤出冲模工具的涡旋面或冲模面的不同视图(包括横截面图)。根据示例实施方式，冲模工具还可以在冲模面中构造有或不构造有涡旋。例如，在加工高温材料(例如钢)时，可以使用钨铼作为冲模工具材料。这种材料可以与原料材料接合到提供摩擦或剪切的程度，从而产生足够的变形加热。

冲模工具200可以包括工具侧壁202以及冲模面边缘204。在图9B中，冲模面208可以具有开口206，该开口206被构造为接收和挤出在工艺期间所混合和提供的原料材料。接下来参考图9C，冲模面208可以从开口206延伸。如图所示，冲模面208可以相对于边缘204或侧壁202以一定角度延伸。该角度可以大于0度。如表3所示，例如，以12mm的外径以及1mm和2mm的壁厚制造的管材。根据示例实施方式，该角度可以形成冲模面的一部分、冲模面的主要部分(例如延伸大于冲模面的半径的50％)、和/或冲模面的从边缘204至开口206的全部。

接下来参考图10A，根据另一示例实施方式，冲模200可以具有外缘204，外缘204可以具有相对于面208的基本上平坦的部分，从而在面204和侧壁202之间提供基本上垂直的关系。如参照图10C可以看到的，面208可以从该边缘以一角度延伸到开口206，并且相对于假想延伸线212该角度可以被测量为角度210。

接下来参考图11A，示出了具有侧壁202和边缘204的冲模200。参考图11B，冲模200可以在其中具有围绕开口206的凹部214。凹部或孔214可以与开口206相邻接。根据示例实施方式并且参考图11C，凹部214可以沿构件或面216从面208延伸到冲模中，以到达凸台218，然后到达开口206。已经关于单个挤出件描述了开口206；然而，开口206也可以是更大的开口，其例如可以与芯模一起使用以提供作为挤出产品的管状材料。

根据示例实施方式并且参考图12A-12C，冲模面200可以包括侧壁202和边缘204。如图12B中可以看到的，凹部214可以被限定在冲模200内，并且如图12C所示，面208可以相对于侧壁202成角度，并且还包括具有延伸到凸台218的侧面216的凹部214。

接下来参考图13A，冲模面200可以包括侧壁202和边缘204。如可以看到的，如图13B和图13C所示，边缘204可以基本上是平坦的。

接下来参考图14A-14B，根据示例实施方式，冲模200可以用于处理原料材料220。材料220可以是单一材料或(如用#*所示的)材料的混合物，并且随着ShAPE工艺进行，材料被剪切和/或塑化以持续形成挤出产品222。如可以看到的，材料可以在凹部214内混合。这种混合可以提供更均匀或更稳定的挤出产品222。

接下来参考图15，根据另一示例实施方式，冲模200被示出为处理原料材料220。该冲模可以具有成角度的面以及延伸至芯模构造的较短延伸部，其中芯模224在延伸部226之间延伸。这种具有较短延伸部的芯模构造可以提供例如呈管材形式的更稳定的挤出产品222。这些延伸部可以被认为是支承表面。

接下来参考图16和17，示例冲模200被示出为具有面208以及开口206。根据示例实施方式，示出了可以利用该冲模200来提供的挤出产品222。此外，根据图17可以看到原料材料，并且可以看到挤出件。

接下来参考图18，示例冲模面被示出为具有较长的支承表面并且没有沉孔或凹槽214。如图19所示，冲模面具有较短的支承表面226以及在面208内的凹槽214。根据示例实施方式并且参考图20，利用这些具有角度和沉孔的冲模面可以提供减小的挤出力。如图21所示，这些冲模面可以提供减小的电机扭矩。

接下来参考图22，对一对冲模面进行比较，其中一个冲模面具有带有沉孔的平面涡旋冲模面，而另一个冲模面包括带有沉孔的锥形冲模面或具有角度210的倾斜的冲模面。利用这些冲模面，如图23所示提供了减小的力；如图24所示提供了减小的扭矩；并且，如图25所示提供了降低的温度。

接下来参考图26，与上面所示的具有较长支承表面的冲模面相比，利用沉孔214和短支承表面，可以提供具有顺直的良好光洁度的管状挤出产品。

接下来参考图27-28，同样利用如图27所示的长支承表面，则挤出产品是易碎且扭曲的，并且具有粗糙表面，而使用短支承表面和凹部制备的挤出产品则被认为是完全固结的并且具有顺直的表面。

接下来参考图29-30，示出了在大于0度到至少45度的范围内对具有不同毫米和不同度数的挤出产品进行的比较。接下来参考图31-33，示例冲模面被示出在图31中，改进的冲模面被示出在图32中并且具有平坦或平面的边缘204，这使得产生了如图33所示的改进的产品。接下来参考图34和35，公开了利用本发明的涡旋的数据。

根据示例实施方式，可以使用本公开的ShAPE技术来接合材料。例如，可以在不形成Mg₁₇Al₁₂界面层的情况下将Mg合金ZK60接合到Al合金6061。为了实现这一点，可以修改ShAPE^TM工艺，以将ZK60和AA6061混合成为完全固结杆材，该完全固结杆材具有作为腐蚀屏障的富含铝的涂层。接下来参考图36，图36(A)中示出了由不同的Mg圆盘和Al圆盘挤出而成的5mm直径的杆材，图36(B)中示出了完全固结的杆材，并且图36(C)中示出了在富含铝的表面与杆材内部之间的成分梯度(Al图中的洋红色部分)。分析示出了Mg₁₇Al₁₂β相没有作为界面层存在的关键结果，而不是IMC在整个挤出过程中被高度细化并且被分散。

参考图37，示出了将Mg挤出件与Al挤出件以对接构造方式接合的示例固相方法。根据示例实施方式，单独的Mg坯料和Al坯料可以被互锁以形成单个坯料，例如使用ShAPE工艺来挤出单个坯料。当冲模旋转并向右插入时，随着材料被消耗而形成Mg合金挤出件。然后，旋转冲模进入到两种原料材料的互锁区域中，Mg和Al在该互锁区域处混合并且同时被挤出以形成异种接合。一旦冲模穿透两种原料材料的互锁区域，随着材料的持续消耗，就会形成Al合金挤出件。如图38所示，示出了可以制造出没有脆性Mg₁₇Al₁₂界面层的多材料杆材或中空截面挤出件。该方法可以用于不同直径的杆材和/或管材。

可以调整互锁区域的几何形状来控制Mg-A1接头区域的成分和过渡长度。几何形状的可能性很多，但图37中示出了两个示例；一种是突变式(具有互锁以形成互锁区域163的互补部分162a和162b的扁平饼形界面)，另一种是渐变式(具有互锁以形成互锁区域165的互补部分164a和164b的三角形辐条界面)。最突变的界面可以通过镁坯料和铝坯料之间的平坦界面来实现。

根据至少一种实施方式，对于三角形辐条互锁装置165，Al中的Mg的成分以取决于辐条的数量和三角形顶点的角度的速率从0％变为100％。该方法已用于示出37mm的过渡长度来说明该概念。因为接头是在固相中通过混合形成的，所以将不会形成Mg₁₇Al₁₂界面层。相反，化学成分梯度和可能的晶粒尺寸将在异种界面上形成强烈的剪切细化并且分散任何Mg₁₇Al₁₂第二相形成。Mg-A1界面处的成分梯度具有的第二个好处在于，它也是可以提高耐腐蚀性的电镀梯度界面。参考图39示出了Mg-Al拼焊板坯，其具有通过对管材进行纵切和滚压而制成的电镀梯度界面。根据示例实施方式，使用这些拼焊板坯可以实现将75mil厚的ZK60管材滚压成3mil箔。参考图40，使用互锁的被进给的材料AA7075和AA6061，通过使用本公开的方法，AA7075可以与AA6061形成对接接头，并且如所示的具有突变的(如图)或延长的过渡长度。

因此，提供了一种用于从原料形成期望的复合物的挤出件的挤出工艺。该工艺可以包括提供用于挤出的原料，并且该原料包括至少两种不同的材料。该方法还可以包括在原料容器内使材料彼此接合，其中该接合限定了如本文所述的两种不同的材料之间的界面。该工艺可以包括挤出原料以形成挤出产品。该挤出产品可以包括第一部分，该第一部分包括两种材料中的结合到第二部分的一种材料，该第二部分可以包括两种材料中的其他一种材料。

因此，两种材料之间的界面可以将一种材料与另一种材料互锁，并且互锁的几何形状可以限定两种材料在它们结合处的比率。可以通过操纵接合的几何形状来操纵该比率。例如，可能有少量的两种材料中的一种材料进入由两种材料中的另一种材料限定的周边，反之亦然。根据示例实施方式和具体示例，材料中的一种可以是Mg，而另一种可以是Al。该工艺还可以包括其中一种材料是Mg ZK60，而另一种材料是Al 6061的情况。因此，可以是一种材料具有一种等级而另一种材料具有另一种等级。例如，一种材料可以是AA7075，而另一种材料可以是AA6061。根据示例实施方式，这些坯料可以是原料的一部分并且这些坯料可以被互锁。

挤出原料材料可以具有限定在两种材料被挤出为结合挤出件时的这两种材料的比率的几何形状。原料材料可以沿着纵向轴线对齐，并且根据示例实施方式，纵向轴线可以是挤出轴线。可以沿着从轴线垂直延伸的平面进行坯料的互锁，并且因此该平面可以与两种材料相交。

为了改进镁板材的可成形性，发明人认为晶粒尺寸应该小5微米和/或期望实现弱化结构。已经证明，新式剪切辅助加工和挤出(ShAPE)技术不仅可以获得上述微结构，而且有助于基面(即结构)的对齐。该技术还可以减小尺寸并使第二相颗粒均匀分布，其中第二相颗粒被认为阻碍板材的可成形性。根据示例实施方式，Mg的挤出管材可以被切开并且滚压成板材。使用ShAPE工艺得到的镁(ZK60合金)挤出管材可以被设置成直径可以是50mm、壁厚可以是2mm，或者可具有其他直径和壁厚。例如，这些管材可以在压力机中被切开，然后平行于挤出轴线进行滚压。

接下来参考图41，在特定实施例中，例如可以提供在大规模生产的车辆中不常见的Mg板材。这些板材的生产可以包括对ShAPE所生产和展开的挤出管材进行滚压。根据示例实施方式并且参考图41，示出了示例滚压机130。根据示例实施方式，滚压机130可以具有输送机132，具有第一厚度的板材134在通过滚压机130之后，板材134可以成为具有第二厚度的板材136。根据示例实施方式，滚压可以是冷滚压、热滚压或双滚压。与用于滚压的常规原料相比，ShAPE挤出件(诸如ShAPE管材)可以提供用于随后滚压的可以提供差异化和/或有利的晶粒尺寸、第二相尺寸和分布、和/或晶体结构的原料。

接下来参考图42，示出了说明ShAPE制造的Mg ZK60管材和展开的管材厚度以及被热滚压到期望厚度的滚压管材的一系列描述。根据示例实施方式，滚压管材可以在道次之间在420℃和450℃之间退火5分钟，并且如果需要可以在没有双辊铸造的情况下进行。

接下来参照图43A和43B，根据示例实施方式并且如本文所述，这些Mg坯料(诸如ZK60坯料)可以如本文中所公开的围绕冷却芯模生产，利用摩擦热量来生产具有挤出方向和围绕该挤出方向的基面的管材。根据示例实施方式，这些材料可以是各向异性的，这可以使它们非常坚固。

接下来参考图44，示出了Mg板材的从零道次一直到16道次的一系列道次。在图45中，示出了0.005英寸厚的板材，并且在随附的两个附图中展示了其柔韧性和坚固性。根据示例实施方式并且参考图46，绘制了每轧机道次的压下率，并且可以看到，在约5轧机道次之后，厚度保持均匀，但在10轧机道次之后，厚度可以被减少达60％。对于对旨在用于后续轧机操作的常规Mg原料进行热轧机，则可能很难实现如此大的每道次压下率。

参照图47-65，本公开的所描述的实施例提供了ShAPE工艺、原料材料、材料、导电材料和/或组件。本公开的固相处理可以提供嵌入有均匀地和/或各向同性地分布在整个材料中的石墨烯的铜材料。本公开的铜-石墨烯材料可以说明其中石墨烯主要存在于晶粒边界处的材料结构，但是石墨烯也可以存在于其他位置(诸如晶粒内部)。可以在加工过程中调整石墨烯和铜之间的界面，使得它们可以具有最小的晶格失配。

通过这些元素的组合，可以最小化电子的散射。在操作期间，载体可以以对应于操作温度的预定速度而移动穿过导电材料。当载流子遇到石墨烯时，由于有利的界面特性，因此载流子可以穿越能量势垒并且轻松进入添加剂，以更高的速度移动。载流子的移动通过具有最小散射的较高导电性添加剂的这种能力可以在较高温度下提供改进的电性能。

本公开的高导电性材料(特别是铜)可以在工业中具有广泛的应用，包括所有电机以及电子、电力转换、能量传输和其他电气应用。例如，当用于定子绕组的方形棒线通过这种工艺制造时，汽车牵引驱动器的构造、尺寸设计或供电方式可能会发生巨大变化。用于定子绕组的高导电线可能会影响永磁电机，而在朝向400英里范围的电池组进展缓慢的情况下，有很大的动机来提高电机性能。本公开的材料可以应用于启动器的小型高功率感应电机、为辅助负载(泵、制热空调(hvac.)等)供电的电机、或传输系统或传动系统中的致动器。另一种工业应用可以包括制造感应电动机转子的短路杆。在此应用中，金属-NCCF ShAPE挤出件可以具有非圆形横截面，并且杆被连接到端盖以形成典型感应转子组件的内部“鼠笼”。金属-NCCF ShAPE挤出短路杆可以提高电机效率。

根据示例实施方式，本公开的块状尺寸导电实心材料混合物可以具有优于纯铜的导电性。示例实施方式在作为ShAPE的原料材料制备和组装的铜箔上提供C10100纯铜坯料和CVD单层石墨烯。使用ShAPE，铜金属和/或合金和石墨烯可以变形、混合并且挤出为具有1m长度和2.5mm直径的铜-石墨烯复合线材。通过4探针方法测量的电导率表明，当添加6ppm石墨烯时，该线材具有104.8％IACS。光学显微镜和电子显微镜显示该线材具有良好的完整性和各向同性的晶体取向。石墨烯由于低含量和单层形态而在透射电子显微镜下几乎无法检测到。然而，原子探针断层扫描显示单层石墨烯主要沿着铜基板的晶粒边界分布。

参照图47-48，根据示例实施方式，示出了根据本公开的实施例的用于金属和NCCF材料的剪切辅助挤出的过程和组件300。根据示例实施方式，过程和组件可以包括与原料材料环304可操作地接合的冲模工具302。在原料材料环304内的可以是原料材料306，并且利用本公开的过程和组件可以产生挤出产品或挤出材料308。使用冲模工具向原料材料施加旋转剪切力和轴向挤出力可以使原料材料的至少一部分变形并且将所变形的材料进行混合。

因此，提供了用于形成金属-NCCF挤出件的剪切辅助挤出工艺。原料、挤出件和/或实心导电材料混合物中的金属可以包括表现出足够的可塑性以被ShAPE挤出的材料。示例的可挤出金属和/或合金，和/或混合物可以包括Cu、Al、Mg、Fe、Ti和NI和/或合金，和/或包括这些金属的混合物。原料、挤出件和/或实心导电材料混合物中的NCCF可以包括石墨烯、碳纳米管、纳米石墨、巴基球、纳米金刚石、碳量子点或任何其他形式的晶碳材料中的一种或更多种。按原料、挤出件和/或实心导电材料混合物的重量，NCCF可以是至少1ppb。

根据示例实施方式，原料、挤出件和/或实心导电材料混合物可以包括金属Cu和NCCF石墨烯。

根据示例实施方式，C10100圆盘的铜/石墨烯坯料306和组装的石墨烯涂覆的Cu箔310可以用于制造Cu/石墨烯(G)复合物。C10100(或101)铜(即无氧高导电铜(OFHC))具有99.99％的高纯度以及约101％的IACS。圆柱形铜圆盘306可以在中央具有袋并且其中填充有具有CVD沉积的单层石墨烯310的纯铜箔。参照图49-50，箔310可以被切割成期望的形状312，然后如图50所示被填充到铜圆盘的袋中。容纳箔的圆盘可以被放置在钢环304中。这种类型的样品的碳含量的范围可以为从0至0.0006wt％。

根据示例实施方式，提供了可以包括金属和NCCF的ShAPE原料材料。原料材料可以限定坯料，并且坯料可以进一步包括NCCF的部分。NCCF的部分可以被沉积在金属的部分上，NCCF可以被分散在金属内，NCCF可以被提供在金属内的开口中，和/或原料材料可以作为金属和/或NCCF的颗粒提供。

根据本公开的示例实施方式，呈碎片、颗粒、盘片、块、膜、粉末或箔形式的铜和石墨烯可以经由本文中所述的ShAPE来与铜坯料混合并且挤出。因此，利用ShAPE工艺，可以形成包括金属和NCCF的挤出件。例如，可以形成直径为2.5mm的线材。参考图51，工艺温度可以通过位于距冲模工具面0.5mm处的且与挤出轴线径向地偏离4mm的K型热电偶来监控。此外，在摩擦挤出过程中施加的力、功率和扭矩可以通过机器内置的传感器进行监控。如下表3所示，可以制造具有不同的石墨烯含量的线材样品。0wt.％的石墨烯样品(也称为纯铜或对照样品)可以如上所述的进行制造；例如，使铜圆盘上装载有没有任何石墨烯涂层的Cu箔。

接下来参考图52-53，示出了原料材料的示例构造以及加工中的材料的不同横截面。从这些图中可以看出，对加工中的材料的微结构进行了表征，并且根据以下的微结构表征和石墨烯检测来对它们进行表征。参考图52-53，片312可以被定向为呈垂直和/或水平的堆叠，并且参照微结构和石墨烯检测来指出区别特征。

挤出材料(例如Cu-石墨烯线材)可以被横向和纵向切割以进行金相检查。圆盘也可以被竖直切割，以示出剩余物的材料流和固结状态。这些样品可以使用0.05μm的硅胶介质进行研磨和振动抛光。可以使用Olympus BX51M光学显微镜来获得光学显微照片。为了识别晶粒结构和元素分布，可以使用配备有Oxford Instruments 170mm2 X-Max能量色散光谱仪(EDS)和对称式电子背散射衍射(EBSD)CMOS检测器的JEOL7600F场发射SEM，通过EDS(能量色散光谱)和EBSD(电子背散射衍射)来进一步检查横截面。

为了检测NCCF，在这种情况下，可以使用石墨烯、原子探针断层扫描(APT)：可以使用FEI Helios双束聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)，通过首先沉积保护性Pt盖以在FIB研磨期间使材料免受Ga离子损伤，来执行APT样品制备。可以从基础合金中提取悬臂，其中的一部分可以被安装到商业Si微柱阵列上，并且单独地成型为针状APT样本。配备有355nm波长紫外(UV)激光器的CAMECA局部电极原子探针(LEAP)4000X HR系统可以用于采集具有以下用户所选择的参数的APT数据：100pJ/脉冲激光能量、100kHz脉冲重复率、35K样本基础温度、以及0.005检测到的离子/脉冲检测率。分析室可以保持处于小于2×10^-11Torr。在这项工作中使用的APT的检测器效率可以约为36％。可以使用CAMECA的交互式可视化和分析软件(IVAS)(版本3.8.4)来重建和分析所采集的数据。

接下了参考图54-56，描绘了图中所示的原料材料的挤出产品的横截面分析。可以看到，这些原料材料可以产生包括沿着金属的晶粒边界的纳米晶碳膜材料或纳米晶碳的挤出产品。这种纳米晶碳膜可以在整个挤出产品中各向同性地分布和/或均匀地分布。

图56描绘了具有6ppm石墨烯的Cu/G样品以及纯铜样品的纵向截面和横向截面的光学显微照片。如上所述，鉴于该材料的原料包括箔，所以预计会在微结构中发现孔隙。然而相反的是，光学显微镜结果表明，Cu/G和纯铜样品中的孔隙最小。因此，原料材料不必完全为实心且没有空隙，因此可以使用颗粒。

朝向线材表面可以看到较小的晶粒，而线材中央由相对较大的晶粒形成。图56还示出了具有6ppm石墨烯含量的Cu/G样品的扫描电子显微镜图像。由于添加剂的量极小，所以它在SEM图像中并不明显。复合材料中的铜晶粒呈现出具有带状结构的双峰分布，这是典型的摩擦挤出微结构。平均晶粒尺寸超过100μm，并且观察到随机结构。然而，由于碳含量低，所以在＜6ppm的情况下，无法通过OM和SEM识别到碳。

接下来参照图57-62，说明和描绘了本公开的挤出产品的机械性能。因此，可以根据ASTM E8来确定样品的极限拉伸强度、伸长率％、屈服强度。可以将长度为100mm的线材样品附接到MTS负载框架的夹具上。所夹持的样品可以稳定地被承载并且以0.1mm/mm的速率拉紧直至断裂。拉伸载荷产生的应力可以按横截面积划分。计量区域可以被绘制有散斑图案，以使用数字图像相关性来捕获实时应变。如图39-40可以看出的，挤出材料的UTS低于纯铜样品的UTS。挤出材料的屈服强度和伸长率高于纯铜样品。

接下来参考图63-64，描绘了电导率和电阻率数据。

本公开的实心材料混合物(例如Cu/G复合线材)的电导率可以根据ASTM B193进行测量。长度为300mm的样品线材可以用夹具在轻微张力下横跨定制设计的铝制底座悬挂。可以使用Keithley 2260B-30-72直流电源通过呈串联构造的镀金引线为样品提供准确度为0.1％±70mA的DC电流(I)。读数精度为±60ppm且量程为+4ppm的Keithley 2182A毫微电压表可以呈并联构造附接到样品上，以测量在沿样品的长度(l)上的电压降(V)。可以使用测量不确定度为±3μm的Keyence LS-7601光学测微计来测量样品线材的直径。可以用设备不确定度为±0.01mm且测量不确定度取为±0.5mm的Mitutoyo 500-193数显卡尺来测量样品长度。然后可以将电压表引线上的电压降与设定的电流值结合使用，以根据欧姆定律来确定样品的电导率。

图63示出了具有0-6ppm石墨烯的Cu/G样品的基于增加的石墨烯含量的电导率。根据RSS方法，电导率测量的不确定度被计算为0.195MS/m(0.333％IACS)。对照样品(纯铜样品)以与Cu/G样品类似的方式制造(除了没有石墨烯添加剂)，其电导率被示出为58.15MS/m(100.25％IACS)，这相当于标准的退火铜的电导率。Cu/G材料的电导率被示出为高于纯铜对照样品的电导率。相比于纯铜样品的电导率，所有样品的电导率都可以单调增加。石墨烯含量仅为6ppm(按重量)的Cu/G样品示出了60.80MS/m(104.82％IACS)的最高的电导率，这比纯铜样品的电导率提高了4％。

ASTM B84中描述的程序可以用于确定摩擦挤出样品的电阻的温度系数。线材可以涂覆有辐射率为～0.99的黑色石墨涂料。以10A的间隔向样品提供范围在10-60A的DC电流，来通过焦耳加热增加样品的温度。使用测量不确定度为±2℃的FLIR A325sc红外热成像摄影机来确定与电流水平相对应的线材的最高稳态温度(T_s)。当温度随时间的变化小于0.1℃/s(dT/dt＜0.1℃/s)时，指定稳态温度。在达到稳态温度后，在每个电流水平下测量140-150mm的样品长度上的电压降。相对于相应的T_s来绘制使用样品电流(I)和电压降(V)计算的电阻(R)。将每个测试样品的基于稳态温度的电阻的斜率计算为dR/dT_s。因此，可以确定20℃下的每ASTM B84的TCR。

图64示出了Cu/G样品的作为温度的函数的电阻率，基于此确定材料的电阻温度系数(TCR)。结果表明，Cu/G样品的TCR高于纯铜样品的TCR，并且直到约200℃之前，Cu/G样品的电阻以及随后的Cu/G样品的电导率都优于对照样品的电阻和电导率。

最后，关于图65，从图43中突出显示的感兴趣的区域中提取在具有6ppm石墨烯含量的Cu/G复合样品的晶粒边界上的原子探针断层扫描(APT)样品。图中的插图示出了用于APT分析的包括在中央的晶粒边界的针状样本。在C原子被示出为沿晶粒边界定位的位置显示了APT重建。为了进一步分析，如图所示，使用20％等浓度表面从剩余区域中标明富含C的区域。在插图中的由圆柱体标记的区域上的一维成分分布呈现了重建的各个区域上的成分变化。跨晶粒边界的成分分布示出了晶粒边界两侧(左手侧和右手侧)的C富集。晶粒边界右手侧的可以对应于剪切石墨烯的细长富碳相是由比例等于3∶3∶1的C、O和Cu组成。

更具体地，图65提供了：由Cu和石墨烯的剪切辅助加工和挤出而得到的原子探针断层扫描(APT)结果。(a)沿晶粒边界进行FIB提取。感兴趣区域在背散射电子衍射SEM图像中由白色矩形突出显示。该图的插图示出了为APT分析所准备的针状样本的SEM图像，其中可以在针状物的中央看到晶粒边界。(b)APT重建示出了各种离子(Cu、C和O)的分布。(c)APT重建示出了C(棕色)离子和O(青色)离子以及标明富C区域的20at％C等面。(d)插图中示出了沿圆柱体的一维成分分布。

因此，本公开提供了一种可以包含金属和NCCF的导电实心材料混合物。该材料混合物的部分可以具有关于纳米晶碳膜优选的晶体取向或各向同性晶体取向。金属可以包括Cu、Al、Mg、Fe、Ti和/或Ni中的一种或更多种。NCCF可以包括石墨烯、碳纳米管、纳米石墨、石墨、巴基球、碳量子点、纳米金刚石或任何其他这种晶碳材料中的一种或更多种。

此外，还提供了部分依赖导电性的组件。该组件可以包括本公开的导电实心材料混合物。示例组件可以是架空导体、母线、海底电缆、脐带缆、电机、电机部件、逆变器、变压器、电信号接触件、电子互连件和发电机。

Claims (53)

1.一种用于由原料材料形成期望复合物的挤出件的剪切辅助挤出工艺，所述工艺包括：

使用由冲模面限定的冲模工具来将旋转剪切力和轴向挤出力施加到所述原料材料上的相同位置，所述冲模面在至少一个横截面中以相对于所述冲模工具的侧壁的大于零的角度从所述冲模面的边缘向内延伸。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述冲模面的边缘基本上是平坦的并且垂直于所述冲模工具的侧壁。

3.根据权利要求1所述的工艺，还包括在所述冲模面内的被构造为接收所述原料材料的一个或多个开口。

4.根据权利要求1所述的工艺，还包括在所述冲模面内的被构造为接收所述原料材料的中央开口。

5.根据权利要求4所述的工艺，其中，所述中央开口被构造为接收芯模。

6.根据权利要求5所述的工艺，其中，所述中央开口还限定短支承构件。

7.根据权利要求4所述的工艺，其中，所述中央开口限定被构造为提供实心细长挤出件的线性轴。

8.一种用于执行剪切辅助挤出的装置，所述装置包括：

冲模工具，所述冲模工具由冲模面限定，所述冲模面在至少一个横截面中以相对于所述冲模工具的侧壁的大于零的角度从所述冲模面的边缘向内延伸。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述冲模面的边缘基本上是平坦的并且垂直于所述冲模工具的侧壁。

10.根据权利要求8所述的装置，还包括在所述冲模面内的、被构造为接收所述原料材料的一个或多个开口。

11.根据权利要求8所述的装置，还包括在所述冲模面内的、被构造为接收所述原料材料的中央开口。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述中央开口被构造为接收芯模。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述中央开口还限定短支承构件。

14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述中央开口限定被构造为提供实心细长挤出件的线性轴。

15.一种用于由原料材料形成期望复合物的挤出件的剪切辅助挤出工艺，所述工艺包括：

使用冲模工具向所述原料材料上的相同位置施加旋转剪切力和轴向挤出力，所述冲模工具限定开口，所述开口被构造为接收用于挤出的原料材料，并且所述冲模工具还限定冲模面，所述冲模面限定在所述冲模面内并且与所述开口相邻接的凹部。

16.根据权利要求15所述的工艺，其中，所述冲模面在至少一个横截面中以不同于垂直角度的角度从所述冲模工具的侧壁延伸。

17.根据权利要求16所述的工艺，其中，所述冲模面从所述冲模工具的边缘延伸以与所述凹部相邻接。

18.根据权利要求15所述的工艺，其中，所述开口被构造为接收芯模。

19.根据权利要求18所述的工艺，其中，所述开口还限定短支承构件。

20.根据权利要求19所述的工艺，其中，所述开口限定被构造为提供实心细长挤出件的线性轴。

21.一种用于执行剪切辅助挤出的装置，所述装置包括：

冲模工具，所述冲模工具限定开口，所述开口被构造为接收用于挤出的原料材料，并且所述冲模工具还限定冲模面，所述冲模面限定在所述冲模面内并且与所述开口相邻接的凹部。

22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述冲模面在至少一个横截面中以不同于垂直角度的角度从所述冲模工具的侧壁延伸。

23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述冲模面从所述冲模面的边缘延伸以与所述凹部相邻接。

24.根据权利要求21所述的装置，其中，所述开口被构造为接收芯模。

25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述开口还限定短支承构件。

26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述开口限定被构造为提供实心细长挤出件的线性轴。

27.一种用于由原料材料形成期望复合物的挤出件的剪切辅助挤出工艺，所述工艺包括：

使用冲模工具向所述原料材料施加旋转剪切力和轴向挤出力，所述冲模工具限定冲模面和位于所述冲模面内的开口，所述开口被构造为接收用于挤出的原料材料；

在所述原料材料进入所述开口之前，在所述开口周围的凹部内混合所述原料材料的不同部分；并且

挤出所混合的部分。

28.根据权利要求27所述的工艺，其中，所述不同部分是在所述原料材料内在物理上彼此分开定位的相同材料。

29.根据权利要求27所述的工艺，其中，所述不同部分是不同的材料。

30.根据权利要求27所述的工艺，其中，施加所述旋转剪切力和所述轴向挤出力有利于将所述原料材料迁移到所述凹部。

31.根据权利要求27所述的工艺，其中，所述凹部被构造为与所述开口相邻接的孔。

32.根据权利要求31所述的工艺，其中，所述凹部围绕所述开口的整个周边延伸。

33.根据权利要求27所述的工艺，还包括在所述冲模面内的凹槽。

34.一种用于形成金属-NCCF挤出件的剪切辅助挤出工艺，所述工艺包括：

使用冲模工具，将旋转剪切力和轴向挤出力施加到包含金属和NCCF(纳米晶碳形式)的原料材料；并且

通过所述冲模工具中的开口挤出包含所述金属和所述NCCF的混合物以形成所述金属-NCCF挤出件。

35.根据权利要求34所述的工艺，其中，所述金属包括Cu、Al、Mg、Fe、Ti和/或Ni中的一种或更多种。

36.根据权利要求34所述的工艺，其中，所述NCCF包括石墨烯、碳纳米管、纳米石墨、石墨、巴基球、碳量子点、纳米金刚石或任何其他这种晶碳材料中的一种或更多种。

37.根据权利要求34所述的工艺，其中，所述金属包括Cu并且所述NCCF包括化学气相沉积的石墨烯或还原的氧化石墨烯。

38.根据权利要求37所述的工艺，其中，所述NCCF为所述原料材料的至少lppb。

39.根据权利要求34所述的工艺，其中，将所述旋转剪切力和轴向挤出力施加到所述原料材料使所述原料材料的至少一部分变形并且对所变形的材料进行混合。

40.一种包括金属和NCCF的ShAPE原料材料。

41.根据权利要求40所述的原料，所述原料限定坯料。

42.根据权利要求41所述的原料，其中，所述坯料还包括部分NCCF。

43.根据权利要求42所述的原料，其中，所述部分NCCF被沉积在部分金属上。

44.根据权利要求40所述的原料，其中，所述NCCF被分散在所述金属内。

45.根据权利要求44所述的原料，其中，所述NCCF被设置在所述金属内的开口中。

46.根据权利要求40所述的原料，所述原料限定金属和NCCF的颗粒、膜、盘片、块、碎片、箔和粉末。

47.一种导电实心材料混合物，包括：

金属；以及

NCCF，其中所述材料混合物的部分具有与纳米晶碳膜相关的各向同性晶体取向。

48.根据权利要求47所述的材料，其中，所述金属包括Cu、Al、Mg、Fe、Ti和/或Ni中的一种或更多种。

49.根据权利要求47所述的材料，其中，所述NCCF包括石墨烯、碳纳米管、纳米石墨、石墨、巴基球、碳量子点、纳米金刚石或任何其他这种晶碳材料中的一种或更多种。

50.根据权利要求47所述的材料，其中，所述金属包括Cu并且所述NCCF包括石墨烯。

51.根据权利要求50所述的材料，其中，所述NCCF为所述原料材料的至少1ppb。

52.一种部分依赖于导电性的组件，所述组件包括：

导电实心材料混合物，所述导电实心材料混合物包括：

金属；以及

NCCF，其中所述材料混合物的部分具有与纳米晶碳膜相关的各向同性晶体取向。

53.根据权利要求52所述的组件，包括架空导体、母线、海底电缆、脐带缆、电机部件、逆变器、变压器、电信号接触件、电子互连件、电机、变换器和发电机。

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