[发明专利]一种石墨烯/铝合金复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体讲涉及一种石墨烯/铝合金复合材料的制备方法。

背景技术

由于空中悬挂跨度大，高架高压输电线除了对导线电缆的导电性有一定要求外，对导线电缆的强度也有一定要求。目前国内外较常用的高架高压输电导线包括铜导线和铝导线。与铝导线相比，铜导线的导电性好，强度高。但是，铜导线的成本较高，且铜属于战略资源，而铝资源丰富，分布广泛，成本低。尽管有的地方输电线路几乎90％以上使用铝复合材料导线，但有些地方铝复合材料导线的应用量还不到1％。因此，为了降低成本，有必要加大高架高压输电用铝导线电缆的开发应用。

目前已工业应用的铝导线电缆材质包括纯铝和铝复合材料，但是二者的强度和导电性的匹配性都较低。纯铝的导电性好，但强度较低。已有的铝复合材料在纯铝的基础上，添加Mg、Si等合金元素制得的，制得的复合材料在提高材料强度的同时，却带来了导电性的降低。近年来，随着高架高压输电线的悬挂跨度越来越大，对铝导线电缆的性能提出了更高的要求。为此，开发一种强度高、导电性好的铝导线电缆就显得十分必要。

石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，呈单层片状结构(厚度仅为几个纳米)。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料，其断裂强度高达130Gpa。(ChangguLee，XiaodingWei，JeffreyW.Kysar，JamesHone)等人在(Science，Vol.321，issue18，July2008，385-388)上发表了关于“单层石墨烯伸缩性及固有强度的测定”(Measurementoftheelasticpropertiesandintrinsicstrengthonmonolayergraphene)。更重要的是，石墨烯还是世上电导率最高的材料(电阻率仅约10^-8Ω·m)，约为铜的100倍。因此，利用石墨烯的高强度和良好的导电性，并将其与纯铝或铝复合材料复合，制备成石墨烯/铝复合材料，可望用来改善铝电缆的强度和导电性，使铝导线的力学性能和电气性能得到更好的匹配。

基于以上讨论分析，需要提供一种制备工艺来获得石墨烯/铝复合材料，并实现石墨烯在铝基体中的均匀分散以及石墨烯/铝的高质量界面结合。目前铝基复合材料的制备方法主要是熔融铸造法和粉末冶金法。如果石墨烯/铝复合材料采用传统熔融铸造法制备，由于二者密度差异大，石墨烯很难在铝液内部均匀分散，此外，二者在材料制备过程中还有可能发生高温界面反应，生成Al₄C₃脆性相，恶化材料性能。而采用粉末冶金法，则可使石墨烯纳米片和铝复合材料粉末在室温下实现均匀混合，然后通过后续的压力加工来制备石墨烯增强铝基复合块体材料，最大限度地抑制了传统熔融铸造法带来的高温界面反应。

然而，事实证明，由于石墨烯纳米片和铝复合材料粉体(雾化)在形貌、尺寸和密度等方面都存在着很大的差异(见表1)，导致二者在材料复合时的相容性很差，非金属的石墨烯和金属的铝即使在粉末冶金工艺下也很难形成良好的界面结合。(BARTOLUCCISF，PARASJ，RAFIEEMA，etal.)等人在【[J].MaterialScienceandEngineeringA，2011，528：7933-7937.)】杂志上公开了石墨烯-铝纳米组合物“Graphene-aluminumnanocomposites”。而对于铝基复合材料来说，增强相在铝基体中的分布是否均匀、增强相是否发生团聚、界面结合是否紧密，直接决定着复合材料性能的优劣。因此，石墨烯在铝基体中的均匀分散如何实现，以及石墨烯/铝的高质量界面结合如何获得，是制备石墨烯/铝复合材料需要突破的关键技术。

表1石墨烯纳米片和铝复合材料粉体的差异