一種三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于耐磨損材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨材料具有很好的自潤滑性能，因此將石墨與鋁合金復(fù)合制得的復(fù)合材料能夠具有石墨很好的耐磨損性能，同時兼具鋁合金的力學(xué)性能。因此能夠應(yīng)用于滑動軸承、汽車輪轂、汽車內(nèi)燃機(jī)、液壓設(shè)備等等需要耐磨減摩的地方，應(yīng)用范圍非常廣泛，具有廣闊的前景。目前國內(nèi)外主要采用攪拌鑄造法、無壓力浸透法、擠壓鑄造法等工藝。傳統(tǒng)的混合鑄造法生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品雖然耐磨損性能得到提高，但是加入的大量石墨使復(fù)合材料的力學(xué)性能較原基體合金降低嚴(yán)重，存在力學(xué)性能和耐磨性能的不匹配問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是提供一種解決石墨降低合金材料力學(xué)性能的三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料及其制備方法。
[0004]本發(fā)明通過以下方案予以實(shí)現(xiàn):一種三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料，三維空間有序結(jié)構(gòu)為石墨骨架結(jié)構(gòu)，石墨骨架分為三個基礎(chǔ)層，三個基礎(chǔ)層分別由不同邊的石墨結(jié)構(gòu)排布，再將這三個基礎(chǔ)層層層疊加在一起，形成蜂窩結(jié)構(gòu)，然后循環(huán)疊加形成三維空間有序的石墨骨架，該復(fù)合材料由Al-Mg-Si合金澆注于石墨骨架而成。
[0005]Al-Mg-Si合金的原料為Al粉，Mg粉，Si粉，且，純度均大于99.0% ;石墨的質(zhì)量為鋁粉總質(zhì)量的5%?10%，所述石墨的純度大于99.85%，顆粒粒度< 50 μm。
[0006]本發(fā)明還提供一種三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0007]I)將Al粉、Mg粉、Si粉放在高頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，獲得Al-S1-Mg合金，其中合金的成分范圍為Al-(5-9) S1-(0.2-0.5)1%，進(jìn)一步優(yōu)選為41-731-0.35Mg ；
[0008]2)將具有石墨粉料與粘結(jié)粉末混合，利用激光燒結(jié)3D打印機(jī)打印，粘結(jié)粉在激光的作用下熔化，將石墨粉粘結(jié)成所設(shè)計(jì)的三維空間有序結(jié)構(gòu)的石墨骨架，骨架尺寸在
0.3mm?0.5mm范圍內(nèi)，將此石墨骨架放入石墨爐中進(jìn)行石墨化，將石墨化的石墨骨架放入石墨模具中進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫為100?200°C，再將Al-(5-9) S1-(0.2-0.5)Mg合金放到熔煉爐中加熱到700°C，將合金液澆鑄到石墨模具內(nèi)，隨后冷卻，即可得到三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料。
[0009]粘結(jié)粉末占打印粉體總重量的20?50%，粘接粉末由酚醛樹脂、改性劑、偶聯(lián)劑和固化劑混合制成，其中，改性劑為二氯丙醇，偶聯(lián)劑為硅烷，固化劑為復(fù)合多元氨。
[0010]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0011]該方法通過在石墨骨架上直接澆鑄鋁合金液獲得石墨/鋁復(fù)合材料，石墨的預(yù)熱處理可以大大的提高石墨和鋁液的潤濕性，并通過對三維空間有序的石墨結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理分布石墨，減少相對表面的粗糙度和維持油膜，提高了復(fù)合材料的耐磨損性能，實(shí)驗(yàn)得到兩種復(fù)合材料摩擦系數(shù)分別為0.15和0.145 ;同時合理設(shè)計(jì)的三維空間有序的骨架能夠保證復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到基體材料的90%以上。
【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步的說明:
[0013]圖1為實(shí)施例1的石墨骨架結(jié)構(gòu)。
[0014]圖2為實(shí)施例2的石墨骨架結(jié)構(gòu)。
[0015]圖3為實(shí)施例1中的石墨骨架制備的石墨/鋁材料結(jié)構(gòu)示意圖，I為石墨骨架，2為鋁合金。
[0016]圖4為實(shí)施例2中的石墨骨架制備的石墨/鋁材料結(jié)構(gòu)示意圖，I為石墨骨架，2為鋁合金。。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0018]實(shí)施例一
[0019]提供的Al、Mg粉、Si粉的原材料純度都大于99.0%。石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鋁的5%?10%,所述石墨的純度大于99.85%,顆粒粒度< 50 μ m。
[0020]將Al粉、Mg粉、Si粉放在高頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，獲得Al-7S1-0.35Mg合金，其成分為Si7%，Mg0.35%, Al余量。將具有一定粒度的石墨粉料與粘結(jié)粉末按照一定的比例混合，其中粘接粉占總重量的30 %，粘接粉由酚醛樹脂、改性劑、偶聯(lián)劑和固化劑等制成，利用激光燒結(jié)3D打印機(jī)打印，粘結(jié)粉在激光的作用下熔化，將石墨粉粘結(jié)成所設(shè)計(jì)的三維空間有序結(jié)構(gòu)的石墨骨架，石墨骨架如圖1所示，兩條對邊為基礎(chǔ)層。骨架截面尺寸為
0.3mmX 0.5_，將此石墨骨架放入石墨爐中進(jìn)行石墨化，將石墨化的石墨骨架放入石墨模具中進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫為100°c，改善石墨和鋁合金的潤濕關(guān)系。再將Al-7S1-0.35Mg合金放到熔煉爐中加熱到700°C，將合金液澆鑄到石墨模具內(nèi)，隨后冷卻，得到三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料，如圖3所示，其中I為石墨骨架，2為鋁合金。對石墨鋁合金復(fù)合材料進(jìn)行顯微組織觀察，可以看出石墨骨架結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)合良好，石墨骨架牢固結(jié)合于鋁合金表面，且樣品沒有明顯的空洞，氣泡缺陷。同時對樣品的進(jìn)行拉伸測試，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)抗拉強(qiáng)度較原基體合金沒有明顯的下降，能保證基體的抗拉強(qiáng)度。
[0021]在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對之別的三維空間有序石墨鋁復(fù)合材料進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，得到復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.15，制得的復(fù)合材料具有較低的摩擦系數(shù)。
[0022]實(shí)施例二
[0023]提供的Al、Mg粉、Si粉的原材料純度都大于99.0%。石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鋁的5%?10%,所述石墨的純度大于99.85%,顆粒粒度< 50 μ m。
[0024]將Al粉、Mg粉、Si粉放在高頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，獲得Al-7S1-0.35Mg合金，其成分為Si7%，Mg0.35%,Al余量。將具有一定粒度的石墨粉料與粘結(jié)粉末按照一定的比例混合，其中粘接粉占總重量的25%，粘接粉由酚醛樹脂、改性劑、偶聯(lián)劑和固化劑等制成，利用激光燒結(jié)3D打印機(jī)打印，粘結(jié)粉在激光的作用下熔化，將石墨粉粘結(jié)成所設(shè)計(jì)的三維空間有序結(jié)構(gòu)的石墨骨架，石墨骨架如圖2所示，相鄰兩條邊為基礎(chǔ)層。骨架截面尺寸為0.4mmX 0.5mm，將此石墨骨架放入石墨爐中進(jìn)行石墨化，將石墨化的石墨骨架放入石墨模具中進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫為200°C，改善石墨和鋁合金的潤濕關(guān)系。再將Al-7S1-0.35Mg合金放到熔煉爐中加熱到700°C，將合金液澆鑄到石墨模具內(nèi)，隨后冷卻，得到三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料，如圖4所示，其中I為石墨骨架，2為鋁合金。對石墨鋁合金復(fù)合材料進(jìn)行顯微組織觀察，可以看出石墨骨架結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)合良好，石墨骨架牢固結(jié)合于鋁合金表面，且樣品沒有明顯的空洞，氣泡缺陷。同時對樣品的進(jìn)行拉伸測試，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度較原基體合金沒有明顯的下降，能保證的的基體抗拉強(qiáng)度。
[0025]在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對之別的三維空間有序石墨鋁復(fù)合材料進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，得到復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.145，制得的復(fù)合材料具有較低的摩擦系數(shù)。
[0026]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料，其特征在于，三維空間有序結(jié)構(gòu)為石墨骨架結(jié)構(gòu)，石墨骨架分為三個基礎(chǔ)層，三個基礎(chǔ)層分別由不同邊的石墨排布，再將這三個基礎(chǔ)層層層疊加在一起，形成蜂窩結(jié)構(gòu)，然后循環(huán)疊加形成三維空間的石墨骨架，該復(fù)合材料由Al-Mg-Si合金澆注于石墨骨架而成。2.權(quán)利要求1所述的三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料，其特征在于，Al-Mg-Si合金的原料為Al粉，Mg粉，Si粉，且純度均大于99.0% ;石墨的質(zhì)量為鋁粉總質(zhì)量的5%?10%,所述石墨的純度大于99.85%,顆粒粒度< 50 μ m。3.權(quán)利要求1或2所述的三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將Al粉、Mg粉、Si粉放在高頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，獲得Al-S1-Mg合金，其中合金的成分范圍為 Al-(5-9) S1-(0.2-0.5)Mg ; 2)將具有石墨粉料與粘結(jié)粉末混合，利用激光燒結(jié)3D打印機(jī)打印，粘結(jié)粉在激光的作用下熔化，將石墨粉粘結(jié)成所設(shè)計(jì)的三維空間有序結(jié)構(gòu)的石墨骨架，骨架尺寸在0.3mm?0.5mm范圍內(nèi)，將此石墨骨架放入石墨爐中進(jìn)行石墨化，將石墨化的石墨骨架放入石墨模具中進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫為100?200 °C，再將Al-S1-Mg合金放到熔煉爐中加熱到700°C，將合金液澆鑄到石墨模具內(nèi)，隨后冷卻，即可得到三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料。4.權(quán)利要求3所述的三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，粘結(jié)粉末占打印粉體總重量的20?50%，粘接粉末由酚醛樹脂、改性劑、偶聯(lián)劑和固化劑混合制成，其中，改性劑為二氯丙醇，偶聯(lián)劑為硅烷，固化劑為復(fù)合多元氨。5.權(quán)利要求3所述的三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的Al-S1-Mg合金具體為Al-7S1-0.35Mg合金。
【專利摘要】一種三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料及其制備方法，屬于耐磨損材料制備領(lǐng)域。針對傳統(tǒng)工藝方法制備的石墨增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能與耐磨損性能的不匹配問題，提供了一種耐磨損性能好且力學(xué)性能優(yōu)異的三維有序空間石墨鋁復(fù)合材料的制備方法。所述制備方法采用3D打印的方法打印出空間三維有序的石墨結(jié)構(gòu)，并通過直接澆鑄的方法將Al-Mg-Si合金澆鑄在前述石墨結(jié)構(gòu)上面，制備出三維空間有序結(jié)構(gòu)石墨/鋁復(fù)合材料。為了提高傳統(tǒng)方法制備的石墨/鋁復(fù)合材料的自潤滑性能，需要大量添加石墨，從而導(dǎo)致了力學(xué)性能大幅下降的問題。本方法制備的石墨/鋁復(fù)合材料可以通過控制石墨的尺寸、結(jié)構(gòu)和分布，在提高自潤滑性能的前提下，保證力學(xué)性能。
【IPC分類】C22C1/10, C22C1/02
【公開號】CN105200261
【申請?zhí)枴緾N201510701627
【發(fā)明人】葉喜蔥, 吳彬彬, 吳海華
【申請人】三峽大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月26日