[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于金属基复合材料及制备技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。