一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法

本发明涉及一种金属复合材料梯度纳米结构材料板材的制备方法。

背景技术：

1、铝及其合金被广泛应用于汽车交通、机械工程、电子通信、航空航天等领域；然而，随着社会的发展，传统铝合金已难以满足新技术、新装备等对于材料高强度-塑性匹配以及结构功能一体化设计的需求。研究并开发新型铝合金，实现良好的强度-塑性匹配，是拓展铝材料应用领域和推动其工业发展的关键。为实现这一目的，一方面可以通过成分设计，设计制备新型铝合金结合成形与热处理工艺调控组织结构实现力学性能的提升，但这种方法往往无法改善金属材料的强度-塑性倒置关系；另一方面，则可以对现有商业牌号铝合金进行结构设计，通过合理的结构设计改善铝合金的强度-塑性匹配，如层状结构、梯度纳米结构、壳核结构等，其中梯度纳米结构可以实现在同一材料中晶粒尺寸从纳米尺度到几十至百微米级别的梯度变化，从而对材料进行更大范围内的力学性能调控。梯度纳米结构可以通过表面剧烈变形进行表面纳米化来获得，通过表面纳米化处理后，可在材料表面形成梯度纳米结构层，从而提高材料的综合性能，增加工件的服役寿命。相比于其他结构设计，梯度纳米结构制备方法更为直接，所制备材料通过表面性质与性能可以快速判断工艺优化情况。

2、目前铝合金的表面纳米化已经在不同铝合金体系中开展，如5、6、7系铝合金，但目前的表面纳米化技术只针对于均匀成分块体材料组织结构方面的设计，即实现单一梯度。铜及其合金由于优秀的热导率，电导率及力学性能等，作为热传导以及电传导的结构件得到广泛的应用；但是铜价格相对较高、密度较大，不适合构件的轻量化设计。通过将铜与铝复合并形成梯度纳米结构，可以充分利用铜的物理性能优势并降低成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决现有铝及其合金作为结构材料其强度需要进一步提高，此外其导热、导电性能相比于铜及其合金相对较弱，但铜成本较高、密度较大、比强度较低，不适合构件的轻量化设计的问题，而通过将铜与铝复合并在铝表面形成梯度纳米合金化结构，可以有效提高铝的性能，基于此本发明提供一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法。

2、一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

3、一、表面预处理：

4、首先对al板进行碱洗处理，再进行喷砂处理，得到表面预处理后的al板；

5、二、电弧喷涂cu：

6、对表面预处理后的al板的一面或两面进行电弧喷涂cu处理，得到一面或两面具有cu涂层的cu/al基板；

7、三、电泳沉积go：

8、对一面或两面具有cu涂层的cu/al基板进行电泳沉积go，再干燥，得到具有go沉积薄层的go/cu/al预制板；

9、四、表面机械处理：

10、在具有go沉积薄层的go/cu/al预制板的表面涂覆一层石墨烯润滑油，在向垂直于板平面方向施加载荷300～700n、平行于板平面方向进给速率0.1～3mm/s和压力摩擦头转速0～900rpm的条件下对具有go沉积薄层的go/cu/al预制板的表面进行多次压力摩擦处理，预制板表面的石墨烯和石墨烯润滑油在摩擦中实现自润滑并在摩擦过程中被去除，得到铜铝复合表面梯度纳米结构材料。

11、本发明的原理：

12、cu的引入是为了提供合金化溶质来源，通过喷涂cu在al表面形成cu层结合后续表面机械处理可以使cu在al一定深度范围内形成浓度梯度；电泳沉积go是为了在cu涂层上形成一层薄的go膜与冷却润滑油中的石墨烯纳米片形成自润滑效果，放置在表面机械处理过程中剥落；最后压力摩擦是为了对表面施加大塑性变形，距表面越近应变与应变速率越大，远离表面则应变逐渐降低，从而诱发材料表面形成梯度纳米结构。

13、本发明具有如下优点：

14、一、本发明综合cu与al的优势，合理利用金属材料的集肤效应，将表面合金化和表面纳米化相结合，引入石墨烯实现自润滑更好实现铜在铝中的梯度分布与梯度细化效果，在铝合金表面形成复合梯度，可以对铝合金板材结构与功能特性进行改善，用以替代铜及其合金，可以有效减少铜的消耗，节约成本同时减轻构件的重量；

15、二、本发明可高效制备梯度纳米合金化材料，生产工艺简单易行，制备过程无污染，成本低；

16、三、本发明制备的铜铝复合表面梯度纳米结构材料致密，具备较好的力学性能、导热性能、导电性能，具有结构功能一体化特点；

17、四、本发明通过调整电弧喷涂、表面机械处理等工艺参数对材料组织结构进行调控，根据对不同构件针对导热、导电性能不同的需求对复合梯度进行调控，以获得特定性能；

18、五、铜铝复合表面梯度纳米结构材料的表面硬度梯度范围可达70～130hv，相比于铝基体提高至2～4倍；热导率范围可达275～315w/(m·k)，相比于铝基体提高17％～34％；电导率范围可达4.0～4.5×107s/m，相比于铝基体提高14％～29％。

技术特征：

1.一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于所述制备方法具体是按以下步骤完成的：

2.根据权利要求1所述的一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的al板的厚度为1mm～10mm。

3.根据权利要求1所述的一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的碱洗处理的工艺为：将al板浸入到质量分数为5％的naoh溶液中清洗5s～10s，取出后使用水清洗至中性，再干燥，得到碱洗处理后的al板。

4.根据权利要求1所述的一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的喷砂处理的工艺为：以al2o3颗粒为喷料，在压缩空气压力为0.2mpa～0.6mpa、喷射距离为100mm～300mm和喷射角度为45°的条件下，对碱洗处理后的al板进行喷砂处理10s～60s，喷砂后去除表面残留颗粒，得到表面预处理后的al板。

5.根据权利要求1所述的一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的电弧喷涂cu处理的工艺为：以cu丝为电弧喷涂材料，在喷涂距离为100mm～200mm，喷涂电压为20v～40v和送丝速度为30mm/s～80mm/s的条件下对表面预处理后的al板进行电弧喷涂2s～15s，得到一面或两面具有cu涂层的cu/al基板。

6.根据权利要求1所述的一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的电泳沉积go的工艺为：将一面或两面具有cu涂层的cu/al基板浸入到沉积液中，在电压为100v～150v和cu涂层朝向电极板的条件下沉积10s～30s，再将基板取出，干燥，得到具有go沉积薄层的go/cu/al预制板。

7.根据权利要求6所述的一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于所述的沉积液为石墨烯、al(no3)3和无水乙醇的混合液，其中石墨烯、al(no3)3和无水乙醇的质量体积比为(0.2g～0.5g):(0.05g～0.2g):400ml。

8.根据权利要求1所述的一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述的压力摩擦处理的次数为1次～100次。

9.根据权利要求1所述的一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述的石墨烯润滑油为添加石墨烯纳米片的冷却润滑油，石墨烯纳米片的添加量为0.1g/l～0.3g/l。

技术总结
一种铜铝复合表面梯度纳米结构材料的制备方法，它涉及一种金属复合材料梯度纳米结构材料板材的制备方法。本发明的目的是要解决现有铝及其合金作为结构材料其强度需要进一步提高，此外其导热、导电性能相比于铜及其合金相对较弱，但铜成本较高、密度较大、比强度较低，不适合构件的轻量化设计的问题。本发明综合Cu与Al的优势，合理利用金属材料的集肤效应，将表面合金化和表面纳米化相结合，引入石墨烯实现自润滑更好实现铜在铝中的梯度分布与梯度细化效果，在铝合金表面形成复合梯度，可以对铝合金板材结构与功能特性进行改善，用以替代铜及其合金，可以有效减少铜的消耗，节约成本同时减轻构件的重量。

技术研发人员：杜岩,胡金,史爱平,蔡洋,杨翟平,王建永,吴岩
受保护的技术使用者：黑龙江科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13