石墨烯纳米化增强铝镁合金线材料制备技术探讨

黄显吞，吴顺意，韦旭林

（1.百色学院，广西 百色 533000；2 广西博导铝镁线缆有限公司，广西 平果 531400）

铝镁合金线具有抗拉压韧性好，可编织性强，特别是铝镁丝线编织屏蔽网线与塑料复合之后，对通讯内容更具保障和安全作用，现广泛应用于有线电视同轴电缆、高频信号传输以及军工业和航空航天领域，是宽带传输网络和通讯网络线缆的主要配套产品[1]。而且从国际发展趋势来看，世界各国都在大力推广应用铝镁芯线缆，这充分说明铝镁合金丝线材料的广泛应用前景。特别是线缆的铝镁合金化和超强超导超细化是解决当前世界通讯行业面临的能源、环境、安全、高效等问题的有效措施。

1 发展趋势

现有铝镁合金丝线仍存在丝线硬度、韧性、抗拉压强度、延伸率等物理性能普遍偏低以及电导率偏低而电阻率偏高等电学问题，在向超强超细微方向发展中出现的“裂、断、漏”等问题，极大影响了我国铝镁线缆企业向超强超导超细方向发展。目前世界各国都在努力尝试在材料成分设计、优化材料制备工艺、铝熔体净化技术、特殊的热处理工艺和拉拔道次优化等不同角度研究以改善或增强铝镁合金丝线的综合性能为目标[2，3]。特别是石墨烯作为一种特殊的二维碳纳米材料，具有比表面积大（理论值为2 630 m2·g-1）和高电子迁移率（2×105cm2·V-1·s-1）等特点，已经广泛应用于半导体材料、超级电容器等领域中，并取得了良好的效果。

同时，由于石墨烯纳米化能提高导体材料的电学性能和达到各项增强效果，特别是石墨烯结构非常稳定，各碳原子之间的连接非常柔韧，这样石墨烯纳米化后增强材料超强导电性。特别是石墨烯纳米复合材料的强化机制主要是界面强化、载荷的有效传递及位错强化[4]，与基体结合良好并细化铝合金显微组织[5]。而且，现代社会生活中，随着输电容量的加倍剧增，输电线路的导线所需的容量及性能越来越高，导线载流量的不断扩大需要导线具备更高的强度来保证。那么，铝镁合金丝线的超强超导超细微化是发展方向，石墨烯纳米化是生产高性能优质铝镁合金细线制备最为关键的技术，高效能线材纳米化是合金强韧化的重要途径和研究重点。

2 研究内容

2.1 石墨烯纳米化负载

由于纳米控制合金铸锭组织能够熔铸出细小均匀的等轴晶，晶粒细化是对传统材料升级和创造新型合金的主要工艺手段之一。因此，可运用不同的晶粒细化方法来获得细小的等轴晶，即结晶组织的微细化处理，探索制备工艺、催化掺杂以及功能纳米化限域后的材料调控。特别是石墨烯纳米化在合金中主要起固溶强化、晶粒细化强化、位错强化、亚结构强化和弥散析出强化等作用，使石墨烯具有高模量和高强度的力学性质；以及共轭效应显著，使石墨烯具有特殊的电学性质。研究石墨烯在铝镁合金丝线材中的细晶强化、有限固溶强化和第二项强化等，这种变化在一定程度上强化了铝镁合金丝线，提高合金强度和耐腐蚀性能，使合金丝线的综合力学和电学性能达到最佳。

2.2 超强超导合金的可控制备

在超强超导微结构调控和微合金化理论指导下，研究开展石墨烯纳米化以增强铝镁合金线材性能[3]，从关键原材料（铝、镁、铜、钪、锆、锰等中间合金）制备进行纳米化、微合金化、强韧化研究[5]，提高材料韧性与导电率的合金母材。同时，由于合金的微结构特征决定了其使用性能，研究从性能-微结构-处理工艺之间联系的角度出发，更加关注解决过去在重要合金中增强析出相行为遗留的问题，通过利用显微技术观察和分析对合金的微观结构在加工及热处理过程中的微结构特征演变规律进行可控制备，着重从晶粒尺寸和晶粒取向两个方面探讨微结构特征对合金疲劳性能的影响，对合金的相结构和表面形态进行分析。特别是研究可控制备技术对超强超细铝镁合金细丝线的力学性能、微观组织结构、时效硬化特性及再结晶行为的影响[7]。探索通过石墨烯纳米化增强铝镁合金线材料的可控制备技术使材料综合性能达到最优的普适方法和途径。

3 制备技术

3.1 不同微量元素的优化配置比及最佳制备工艺

随着输电容量的加倍剧增，电缆输电线路的导线所需的性能越来越高，导线载流量的不断扩大需要导线具备更高的强度来保证。为此，在原有技术经验及前期课题的研究基础上，采用创新方法进行材料成分配置，在微合金化理论指导下，利用显微技术和第一性原理能量计算模拟加入微合金元素时效初期微结构的演化过程，寻找出合金综合配料比的平衡点，得出性能最优化的高性能铝镁合金丝线材配置比，选择最佳制备工艺（包括退火、扎制、复合工艺的改进与控制）后进行力学性能和电学性能的测试，总结出提高合金丝线各项性能指标的技术方法。

3.2 石墨烯纳米化对合金结构的影响规律与可控制备机制[9]

采取石墨烯纳米化负载研究铝镁合金线长期承受随机交变载荷引起疲劳损坏的能力，制取在各种工况下铝镁合金线的载荷谱。并结合现代纳米加工工艺技术进行可控制备，采用更先进的净化技术、复合变质和内外表面纳米优化处理等，探索出新型成熟的电场细化、净化和内外表面优化处理技术。进行铝镁合金的多因子综合优化设计，研究设计不同组成元素、配比、制备工艺以及合金形态的综合优化，为制备新一代铝镁合金线材料提供依据和方法。

特别是石墨烯纳米化能起到很好的晶界强化作用，从而提高合金的抗拉强度和伸长率，同时减小断裂缺陷，提高抗应力和腐蚀能力、合金丝线的强度和韧性等。那么，充分利用石墨烯纳米化的高比表面积与纳米化复合负载型催化剂的高分散催化增强之间的协同效应有效地整合了各自的优点并协同活化，共同促进，从而大大提高了其基体铝镁合金线材料的导电性和抗拉压性。采用石墨烯纳米化增强铝镁合金线材料的可控制备，促进铝镁合金线的性能达到最优问题。即石墨烯纳米化改性材料的综合性能并实现合金性能调控，由（合金材料+石墨烯纳米化模板）得到功能纳米化化限域后的合金材料，实现超导超强性能，达到提高材料综合性能目标。

然而，难点是由于石墨烯表面比较光滑，化学性质又相对稳定，化学稳定性高，与金属基体本身的润湿性较差，与其他介质（如溶剂等）的相互作用较弱。若将石墨烯直接与Al-Mg 合金材料简单混合或混杂，很难将石墨烯与其它合金材料有机熔合并结合在一起。特别是传统方法是将细化剂直接投放到铝溶液中，石墨烯很难跟其它溶质溶合。而且，由于石墨烯密度较小而漂浮在合金溶液上方，达不到细化效果。但是，创新利用石墨烯边沿及缺陷部位具有较高的反应活性，实现石墨烯在其它金属中的分散性以及溶解度。特别是采用烧结并结合机械合金化法制备复合材料，在球磨过程中石墨烯薄片容易断裂形成石墨烯碎片，这些碎片弥散分布在Al-Mg 合金颗粒周围，不仅抑制了Al 的氧化和钝化，而且有效抑制合金颗粒的焊合与黏合，在纳米化过程中就能有效地避免颗粒团聚，优化了Al-Mg基体金属的分散度，从而达到增强Al-Mg 合金丝线材性能的目的。

4 技术路线

墨烯纳米化增强铝镁合金线材料的可控制备与应用技术，探讨材料成分设计与微量元素作用机制，从性能-微结构-处理工艺之间联系的角度出发，解决合金中增强析出相行为遗留的问题，开展石墨烯纳米化与多组元复合微合金化强韧化合金研究，着重从石墨烯纳米化负载、晶粒尺寸和晶粒取向两个方面探讨微结构特征对合金疲劳性能的影响，研究探讨石墨烯纳米化增强铝镁合金线材料可控制备机理，从而寻找出能高效能超细微化铝镁合金丝线材的可控制备和应用技术方法。具体技术路线如上图所示：

5 技术方案

根据以上铝镁合金线在向超强超导超细发展中存在的科学问题，采取的解决技术方案主要是：

①降低关键元素材料颗粒尺寸至纳米层级；

②加入石墨烯纳米复合负载型晶粒细化剂；

③采用功能材料纳米化与纳米复合负载晶粒细化协同效应方式改善铝镁合金线材料性能。

有效策略主要是：

①可控制备——细化颗粒与催化剂，减小颗粒尺寸，扩大内层空间将会大大增加材料的催化活性与强韧性；

②功能纳米化限域——石墨烯纳米化抑制纳米颗粒长大，降低原子势垒，增加增强相活性，实现合金材料超导性与调控制备；

③构建复合反应体系——调控晶格，调节合成方法，热力学去稳定化，协同活化与协同效应重整并双重提高合金材料超强超导能力。

这样，研究石墨烯纳米化对超强超细铝镁合金细丝线的力学性能、微观组织结构、时效硬化特性及再结晶行为的影响，研制出系列铝镁合金丝线材料，通过材料成分设计与晶粒细化分析，以及电场细化、铝熔体净化和丝线表面技术处理，获得超细微铝镁合金线材晶粒细化的效果，从而改变铝镁合金线的韧性，达到获得高性能的铝镁合金材料和减少拉拔过程中的‘裂、断、漏’等问题，拉制出超细微规格的铝镁合金丝线，并在各个企业中得到推广应用。