一种三维空间有序结构石墨/铝复合材料及其制备方法

摘要

一种三维空间有序结构石墨/铝复合材料及其制备方法，属于耐磨损材料制备领域。针对传统工艺方法制备的石墨增强铝基复合材料力学性能与耐磨损性能的不匹配问题，提供了一种耐磨损性能好且力学性能优异的三维有序空间石墨铝复合材料的制备方法。所述制备方法采用3D打印的方法打印出空间三维有序的石墨结构，并通过直接浇铸的方法将Al-Mg-Si合金浇铸在前述石墨结构上面，制备出三维空间有序结构石墨/铝复合材料。为了提高传统方法制备的石墨/铝复合材料的自润滑性能，需要大量添加石墨，从而导致了力学性能大幅下降的问题。本方法制备的石墨/铝复合材料可以通过控制石墨的尺寸、结构和分布，在提高自润滑性能的前提下，保证力学性能。

说明书

技术领域

本发明属于耐磨损材料制备领域。

背景技术

石墨材料具有很好的自润滑性能，因此将石墨与铝合金复合制得的复合材料能够具有 石墨很好的耐磨损性能，同时兼具铝合金的力学性能。因此能够应用于滑动轴承、汽车轮 毂、汽车内燃机、液压设备等等需要耐磨减摩的地方，应用范围非常广泛，具有广阔的前 景。目前国内外主要采用搅拌铸造法、无压力浸透法、挤压铸造法等工艺。传统的混合铸 造法生产工艺生产出的产品虽然耐磨损性能得到提高，但是加入的大量石墨使复合材料的 力学性能较原基体合金降低严重，存在力学性能和耐磨性能的不匹配问题。

发明内容

本发明是提供一种解决石墨降低合金材料力学性能的三维空间有序结构石墨/铝复合 材料及其制备方法。

本发明通过以下方案予以实现：一种三维空间有序结构石墨/铝复合材料，三维空间有序 结构为石墨骨架结构，石墨骨架分为三个基础层，三个基础层分别由不同边的石墨结构排 布，再将这三个基础层层层叠加在一起，形成蜂窝结构，然后循环叠加形成三维空间有序 的石墨骨架，该复合材料由Al-Mg-Si合金浇注于石墨骨架而成。

Al-Mg-Si合金的原料为Al粉，Mg粉，Si粉，且，纯度均大于99.0％；石墨的质量 为铝粉总质量的5％～10％，所述石墨的纯度大于99.85％，颗粒粒度≤50μm。

本发明还提供一种三维空间有序结构石墨/铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将Al粉、Mg粉、Si粉放在高频感应熔炼炉中进行熔炼，获得Al-Si-Mg合金， 其中合金的成分范围为Al-(5-9)Si-(0.2-0.5)Mg，进一步优选为Al-7Si-0.35Mg；

2)将具有石墨粉料与粘结粉末混合，利用激光烧结3D打印机打印，粘结粉在激光 的作用下熔化，将石墨粉粘结成所设计的三维空间有序结构的石墨骨架，骨架尺寸在 0.3mm～0.5mm范围内，将此石墨骨架放入石墨炉中进行石墨化，将石墨化的石墨骨架放 入石墨模具中进行预热处理，预热温为100～200℃，再将Al-(5-9)Si-(0.2-0.5)Mg合金放到 熔炼炉中加热到700℃，将合金液浇铸到石墨模具内，随后冷却，即可得到三维空间有序 结构石墨/铝复合材料。

粘结粉末占打印粉体总重量的20～50％，粘接粉末由酚醛树脂、改性剂、偶联剂和固 化剂混合制成，其中，改性剂为二氯丙醇，偶联剂为硅烷，固化剂为复合多元氨。

本发明具有如下有益效果：

该方法通过在石墨骨架上直接浇铸铝合金液获得石墨/铝复合材料，石墨的预热处理 可以大大的提高石墨和铝液的润湿性，并通过对三维空间有序的石墨结构进行设计，合理 分布石墨，减少相对表面的粗糙度和维持油膜，提高了复合材料的耐磨损性能，实验得到 两种复合材料摩擦系数分别为0.15和0.145；同时合理设计的三维空间有序的骨架能够保 证复合材料的抗拉强度能达到基体材料的90％以上。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步的说明：

图1为实施例1的石墨骨架结构。

图2为实施例2的石墨骨架结构。

图3为实施例1中的石墨骨架制备的石墨/铝材料结构示意图，1为石墨骨架，2为铝合金。

图4为实施例2中的石墨骨架制备的石墨/铝材料结构示意图，1为石墨骨架，2为铝合金。。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例一

提供的Al、Mg粉、Si粉的原材料纯度都大于99.0％。石墨的质量分数为铝的5％～10％， 所述石墨的纯度大于99.85％，颗粒粒度≤50μm。

将Al粉、Mg粉、Si粉放在高频感应熔炼炉中进行熔炼，获得Al-7Si-0.35Mg合金， 其成分为Si7％，Mg0.35％，Al余量。将具有一定粒度的石墨粉料与粘结粉末按照一定的 比例混合，其中粘接粉占总重量的30％，粘接粉由酚醛树脂、改性剂、偶联剂和固化剂 等制成，利用激光烧结3D打印机打印，粘结粉在激光的作用下熔化，将石墨粉粘结成所 设计的三维空间有序结构的石墨骨架，石墨骨架如图1所示，两条对边为基础层。骨架截 面尺寸为0.3mm×0.5mm，将此石墨骨架放入石墨炉中进行石墨化，将石墨化的石墨骨架 放入石墨模具中进行预热处理，预热温为100℃，改善石墨和铝合金的润湿关系。再将 Al-7Si-0.35Mg合金放到熔炼炉中加热到700℃，将合金液浇铸到石墨模具内，随后冷却， 得到三维空间有序结构石墨/铝复合材料，如图3所示，其中1为石墨骨架，2为铝合金。 对石墨铝合金复合材料进行显微组织观察，可以看出石墨骨架结构与铝合金结合良好，石 墨骨架牢固结合于铝合金表面，且样品没有明显的空洞，气泡缺陷。同时对样品的进行拉 伸测试，发现各项抗拉强度较原基体合金没有明显的下降，能保证基体的抗拉强度。

在摩擦磨损试验机上对之别的三维空间有序石墨铝复合材料进行摩擦磨损实验，得到 复合材料的摩擦系数为0.15，制得的复合材料具有较低的摩擦系数。

实施例二

提供的Al、Mg粉、Si粉的原材料纯度都大于99.0％。石墨的质量分数为铝的5％～10％， 所述石墨的纯度大于99.85％，颗粒粒度≤50μm。

将Al粉、Mg粉、Si粉放在高频感应熔炼炉中进行熔炼，获得Al-7Si-0.35Mg合金， 其成分为Si7％，Mg0.35％，Al余量。将具有一定粒度的石墨粉料与粘结粉末按照一定的 比例混合，其中粘接粉占总重量的25％，粘接粉由酚醛树脂、改性剂、偶联剂和固化剂 等制成，利用激光烧结3D打印机打印，粘结粉在激光的作用下熔化，将石墨粉粘结成所 设计的三维空间有序结构的石墨骨架，石墨骨架如图2所示，相邻两条边为基础层。骨架 截面尺寸为0.4mm×0.5mm，将此石墨骨架放入石墨炉中进行石墨化，将石墨化的石墨骨 架放入石墨模具中进行预热处理，预热温为200℃，改善石墨和铝合金的润湿关系。再将 Al-7Si-0.35Mg合金放到熔炼炉中加热到700℃，将合金液浇铸到石墨模具内，随后冷却， 得到三维空间有序结构石墨/铝复合材料，如图4所示，其中1为石墨骨架，2为铝合金。 对石墨铝合金复合材料进行显微组织观察，可以看出石墨骨架结构与铝合金结合良好，石 墨骨架牢固结合于铝合金表面，且样品没有明显的空洞，气泡缺陷。同时对样品的进行拉 伸测试，发现抗拉强度较原基体合金没有明显的下降，能保证的的基体抗拉强度。

在摩擦磨损试验机上对之别的三维空间有序石墨铝复合材料进行摩擦磨损实验，得到 复合材料的摩擦系数为0.145，制得的复合材料具有较低的摩擦系数。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的 具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本 发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。