一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法，所述石墨烯增强铝基复合材料以铝合金为基体，以石墨烯、Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe为增强相，为0.3mm～2.0mm厚的带卷材料，所述制备方法将适当配比的原料在真空热压炉中，保温保压，将粉体一步到位制成坯料，减少工艺步骤，缩短了生产周期。本发明专利技术的复合材料制备方法工艺流程简单，工艺参数稳定，节约了成本；石墨烯增强铝基复合材料质量优越，板材抗拉强度高、弹性模量高，已成功应用于高铁列车箱体的外面板、内侧设备间覆板，达到了减重5.8％的目标。

Graphene reinforced aluminum matrix composite for high speed rail box body and preparation method thereof

The present invention provides a graphene reinforced aluminum matrix composite material for a high iron train box and its preparation method. The graphene reinforced aluminum matrix composite material is based on aluminum alloy, with graphene, Si, Cu, Mn, Mg, Zn, Fe as reinforced phase, and the bulk material of 0.3mm to 2.0mm, and the preparation method will properly match the raw material. In the vacuum hot pressing furnace, heat preservation and pressure keeping, the powder is made into one blank in one step, reducing the technological steps and shortening the production cycle. The preparation method of the composite material is simple, the process parameters are stable, the cost is saved, the quality of the graphite reinforced aluminum matrix composite is superior, the tensile strength of the plate is high, and the modulus of elasticity is high. It has been successfully applied to the outer panel of the train box of the high speed train and the inner plate of the inside equipment, which has reached the target of 5.8% weight reduction.

【技术实现步骤摘要】
一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属基复合材料及制备
，具体涉及一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，高铁运输得到大力发展，铁道车辆对材料的力学性能、加工成型性、抗腐蚀性、抗疲劳性和焊接性能都有较高的要求，铁道车辆轻量化，特别是高速和双层客车的轻量化是铁道运输现代化的中心议题，而大量采用高强铝合金材料是提高车辆轻量化的最有效的途径，标准化施工和维修、大型整体壁板和空心复杂薄壁型材的研制也促进了铝合金材料在铁道车辆上的推广应用，高强、高模量、高成型性的铝基复合材料是未来铁道车辆的首选材料。目前，铁道车辆通常采用5083合金的外面板、骨架和7N01的台架组焊而成。铝基复合材料由于其轻质高强、热膨胀系数低、利于加工等优良特性，得到了广泛的应用。为了提升其力学性能以及其他相应的物理性能，人们在铝基体中添加各种增强相，以达到所需要的性能。石墨烯由于其超强的力学性能和完美的一维结构，被视为轻量化结构复合材料的理想增强和增韧材料。理论研究表明，石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa，杨氏模量约为42N/m2，是目前已知的强度最大的材料。以石墨烯为增强体的铝基复合材料具有轻质、高强、耐磨等优异特性。例如，以石墨烯及铝粉为原料，进行球磨，随后在500℃下进行烧结(压实加轧制)，抗拉强度得到提升但延伸率下降。对于制备石墨烯增强金属基复合材料最重要的两个问题就是分散性和界面结合问题。目前，石墨烯增强金属基复合材料制备工艺主要为粉末冶金、压力浸渗、搅拌铸造等以及后续的烧结和二次加工。公开(公告)号为CN106521209A的中国专利公开了一种石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，通过将特定方法制备的石墨烯，与铝进行混合，电火花烧结得到石墨烯增强的铝基复合材料。所得复合材料拉伸屈服强度为至少134MPa，压缩屈服强度超过98MPa，远远高于纯铝的85MPa和30MPa。公开(公告)号为CN106521210A的中国专利所公开的石墨烯增强铝基复合材料制备方法，将石墨烯和铝粉在液氮的环境中进行球磨，使石墨烯粘附到铝粉表面；将石墨烯和铝粉的粉末混合物送入真空干燥箱中烘干，然后分散在铝合金板材表面；粉末混合物和铝合金板材的质量比为1:3～5；将铝合金板材对折，以对折处为咬入点进行轧制复合，控制轧制速度以使两层铝合金中间的空气随着轧制的进行而排出；重复5～10次对折和轧制复合，制得石墨烯铝基复合材料；轧制复合的单道次变形量≥50％；再在620～640℃的温度下处理5～8h，制得成品。公开(公告)号为CN106498223A的中国专利了一种改性石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法，将石墨烯粉末、硅粉、磨球、硬脂酸置于球磨机中，充入液氮至浸没全部磨球之后进行球磨，得到混合粉末，并烘干；经烘干的混合粉末进行烧结，得到改性石墨烯；经烘干的改性石墨烯铝粉混合粉末加入到熔融铝液或熔融铝合金溶液中，搅拌均匀，浇铸。虽然这些方法在实验室都得到了应用，但均无法投入工业化生产。同时，上述方法仅包括制坯过程，并未提及后续二次加工成薄板的过程，制成品抗拉强度、弹性模量并不高，也未报告具体的应用。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料不能实现工业化生产的问题，提出了一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法，通过优化合金成份，提高铝基复合材料的性能；所述制备方法，工艺流程简单，工艺参数稳定，在真空热压炉中，保温保压，将粉体一步到位制成坯料，减少工艺步骤，缩短了生产周期。根据本专利技术的一个方面，提供了一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料，所述复合材料以铝为基体，以石墨烯、Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe为增强相，为0.3mm～2.0mm厚的带卷材料。上述方案中，所述石墨烯的含量为以铝基体的质量为基数的1.3wt％～1.7wt％。上述方案中，所述Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe成分的含量，均以铝基体基体的质量为基数，分别为：镁为1.0～1.5wt％，硅为0.30～0.50wt％，锰为0.05～0.20wt％，铜为0～10ppm、锌为0～10ppm、铁为0～10ppm。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤S1，称量预定比例的铝粉体、石墨烯、Al、Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe；步骤S2，将配料放入球磨机中，通入液氮进行球磨混合；步骤S3，通过真空热压法得到石墨烯增强铝基复合材料坯料；步骤S4，对坯料进行铣面和清洗，然后等温轧制成带卷；步骤S5，在四辊冷轧机上进行冷轧和拉矫，得到板形和尺寸精度良好的带卷；步骤S6，按铁道车辆箱体要求将带卷进行开卷、矫直、切边、分条和定尺剪切，得到列车箱体板材。上述方案中，所述步骤S3进一步为：将球磨后的配料放入模具中，再将模具置于真空热压炉中，先抽真空至10-1Pa，再以1～3℃/分钟的升温速率升至480℃，随后在保温状态下，以40MPa的压力进行压制，保温保压4小时，得到石墨烯增强铝基复合材料坯料。上述方案中，所述带卷为0.3mm～2.0mm厚的带卷材料；所述坯料尺寸为800mm×1000mm×60mm；所述列车箱体板材尺寸为1000mm×2000mm×1.2mm。上述方案中，所述方法还包括：在步骤S4之后，步骤S5之前，对所述卷带350℃条件下退火2小时。本专利技术实施例的石墨烯增强铝基复合材料，质量优越，板材抗拉强度Rm达到460MPa(比6063提高50％)、规定非比例延伸强度RP达到440Mpa(比6063提高50％)、弹性模量E达到85GPa(比6063提高40％)、断后伸长率达到8％，表现出了优异的综合力学性能，已成功应用于高铁列车箱体的外面板、内侧设备间覆板，达到减重5.8％的目标。本专利技术实施例的石墨烯增强铝基复合材料制备方法，以6063铝为基材添加1.5wt％石墨烯、Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe，优化合金成分，节约了成本，工艺流程简单，工艺参数稳定，在真空热压炉中，保温保压，将粉体一步到位制成坯料，减少工艺步骤，缩短了生产周期。附图说明图1为本专利技术实施例的石墨烯增强铝基复合材料微观形貌SEM图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本专利技术作进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式得以实现，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。本专利技术针对现有技术中高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料不能实现工业化生产的问题，提出了一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法，通过优化合金成份，以铝为基材添加1.3wt％～1.7wt％石墨烯、Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe，来提高铝基复合材料的性能。所述制备方法，将上述原料按预定的比例称量配好后，进行混粉球磨，再通过真空热压烧结制坯、铣面、清洗，然后等温轧制成0.3mm～2.0mm带卷，得到低成本高性能的石墨烯增强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料，所述复合材料以铝为基体，其特征在于，以石墨烯、Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe为增强相，为0.3mm～2.0mm厚的带卷材料。

【技术特征摘要】
1.一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料，所述复合材料以铝为基体，其特征在于，以石墨烯、Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe为增强相，为0.3mm～2.0mm厚的带卷材料。2.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，所述石墨烯的含量为以铝基体的质量为基数的1.3wt％～1.7wt％。3.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，所述Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe成分的含量，均以铝基体基体的质量为基数，分别为：镁为1.0～1.5wt％，硅为0.30～0.50wt％，锰为0.05～0.20wt％，铜为0～10ppm、锌为0～10ppm、铁为0～10ppm。4.一种高铁列车箱体用石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤S1，称量预定比例的铝粉体、石墨烯、Al、Si、Cu、Mn、Mg、Zn、Fe；步骤S2，将配料放入球磨机中，通入液氮进行球磨混合；步骤S3，通过真空热压法得到石墨烯增强铝基复合材料坯料；步骤S4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建亭，胡水平，王钧楷，王健东，
申请(专利权)人：青岛海源实业有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37