权利要求
S2、将S1得到的复合浆料进行真空干燥除去酒精，干燥后过筛得到GNPs-Al片状粉末;
S3、将S2得到的GNPs-Al片状粉末置于模具中，施加压力成型，保压后得到复合生坯;
S4、将S3得到的复合生坯进行热轧，得到GNPs-Al复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：S1中，加入酒精后行星球磨罐中的固液比为1g:5mL，球磨的球粉质量比为(11-15):1，转速为400-450r/min，球磨时间为1-2h。
3.根据权利要求1所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：S2中，真空干燥的温度为60-70℃，真空干燥的时间为15-20h，干燥后过100目筛。
4.根据权利要求1所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：S3中，施加的压力为25-30MPa，保压10-60s。
5.根据权利要求1所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：S3中，复合生坯的长度为20mm，宽度为10mm，高度为4-6mm。
6.根据权利要求1所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：S4中，热轧操作为：第一道次压下量10~30%，后续每道次压下量20%，总压下量≥80%，终轧厚度为0.8-1mm，共进行5-8道次。
7.根据权利要求6所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：S4中，热轧过程中，每道次热轧完成后，回炉保温30-60min。
8.一种细晶结构高强铝基复合材料，其特征在于：采用权利要求1-7任一项所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法制备得到，铝基复合材料由铝粉和单层石墨烯粉末组成，其中，单层石墨烯粉末的含量为0.1-0.75wt.%，余量为铝粉。
9.根据权利要求8所述的一种细晶结构高强铝基复合材料，其特征在于：铝粉的粒径为25-30μm，单层石墨烯粉末的片层直径为1-5μm，厚度为0.3-2nm，铝粉与单层石墨烯粉末的纯度均≥99%。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属基复合材料制备技术领域，尤其是涉及一种细晶结构高强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
[0002]铝基复合材料具有密度低、比强度高、导热导电性能优良及耐腐蚀等优点，在航空航天、轨道交通、电子封装等轻量化领域得到广泛应用。随着高端装备对材料综合性能要求的不断提升，传统的铝基材料已难以满足高强度、高塑性及复杂成型工艺的苛刻需求，因此，引入高性能增强相已成为突破现有性能瓶颈、提升铝基材料综合性能的关键途径。
[0003]石墨烯作为一种新型二维碳材料，具有超高的本征强度(理论值约130GPa)、杨氏模量(约1.0TPa)以及优异的导热导电性能，被视为铝基复合材料中极具潜力的增强相。理论研究表明，石墨烯能够有效抑制铝基体晶粒的长大，并通过阻碍位错运动产生显著的强化效应，从而在提升材料强度的同时维持良好的塑性。然而，在实际制备过程中，石墨烯增强铝基复合材料的性能远未达到理论预期，其根本原因在于一系列长期未解决的技术瓶颈。
[0004]石墨烯片层之间具有极强的范德华力，加之其比表面积大、表面活性高，使其在与铝粉混合及后续的致密化过程中极易发生重新堆叠团聚，形成微米级团聚体。这些团聚体在复合材料受力时容易产生应力集中，导致材料过早发生断裂。大量文献报道，采用常规工艺制备的石墨烯增强铝基复合材料，其室温延伸率普遍低于4%，部分研究甚至低于2%，严重制约了材料的工程应用，尤其是在需要一定成形能力的结构件领域。
[0005]传统粉末冶金工艺通常采用高温长时间烧结或热压来实现致密化，这一过程虽然能够获得较高的相对密度，但同时也不可避免地导致铝基体晶粒显著粗化，造成晶粒尺寸普遍长大至10微米以上，致使细晶强化效果几乎完全丧失，从而影响材料的塑性性能。为了改善石墨烯的分散均匀性，研究者常采用高能干法球磨方式对混合粉末进行预处理。
[0006]高能球磨虽然可以在一定程度上破碎石墨烯团聚体，但同时也会带来新的问题。例如：强烈的机械冲击会严重破坏石墨烯的晶体结构，并引入大量缺陷，使其本征性能大幅下降;同时，高能球磨过程中局部温升和剧烈的机械化学作用会促使石墨烯与铝基体发生界面反应，生成脆性的Al4C3相。Al4C3相不仅削弱石墨烯与铝基体之间的界面结合强度，其本身的脆性特征也使其成为裂纹的优先萌生源。因此，采用高能干法球磨的工艺路线，虽然强度可能有一定提升，但塑性往往显著下降，强塑性之间的倒置关系始终未能得到有效解决。
[0007]综上所述，在现有技术体系下，石墨烯增强铝基复合材料长期面临“分散难、晶粒粗、界面差、强塑性倒置”四大核心难题，其中强塑性的协同提升尤为关键，至今仍是该领域亟待突破的技术瓶颈。
发明内容
[0008]本发明的目的是提供一种细晶结构高强铝基复合材料及其制备方法，通过湿法行星球磨与冷压-热轧一体化工艺的协同作用，实现了石墨烯在铝基体中的均匀分散且结构完整无损，有效抑制了脆性界面反应产物的生成;以适量石墨烯同时作为再结晶异质形核核心与晶界钉扎剂，显著细化铝基体晶粒，从而在提升材料强度的同时保持甚至改善塑性，彻底打破了传统铝基复合材料强塑性倒置的瓶颈;此外，该工艺流程简洁、无需复杂烧结或退火工序，与现有粉末冶金及轧制生产线高度适配，具有良好的工业化推广价值。
[0009]为实现上述目的，本发明提供了一种细晶结构高强铝基复合材料，铝基复合材料由铝粉和单层石墨烯粉末组成，其中，单层石墨烯粉末的含量为0.1-0.75wt.%，余量为铝粉。
[0010]优选的，铝粉的粒径为25-30μm，单层石墨烯粉末的片层直径为1-5μm，厚度为0.3-2nm，铝粉与单层石墨烯粉末的纯度均≥99%。
[0011]上述所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将铝粉和单层石墨烯粉末投入行星球磨罐中，加入酒精为球磨介质，并加入氧化锆球进行球磨，球磨后得到复合浆料;
S2、将S1得到的复合浆料进行真空干燥除去酒精，干燥后过筛得到GNPs-Al片状粉末;
S3、将S2得到的GNPs-Al片状粉末置于模具中，施加压力成型，保压后得到复合生坯;
S4、将S3得到的复合生坯进行热轧，得到GNPs-Al复合材料。
[0012]优选的，S1中，加入酒精后行星球磨罐中的固液比为1g:5mL，球磨的球粉质量比为(11-15):1，转速为400-450r/min，球磨时间为1-2h。
[0013]优选的，S2中，真空干燥的温度为60-70℃，真空干燥的时间为15-20h，干燥后过100目筛。
[0014]优选的，S3中，施加的压力为25-30MPa，保压10-60s。
[0015]优选的，S3中，复合生坯的长度为20mm，宽度为10mm，高度为4-6mm。
[0016]优选的，S4中，热轧操作为：第一道次压下量10~30%，后续每道次压下量20%，总压下量≥80%，终轧厚度为0.8-1mm，共进行5-8道次。
[0017]优选的，S4中，热轧过程中，每道次热轧完成后，回炉保温30-60min。
[0018]因此，本发明采用上述一种细晶结构高强铝基复合材料及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明通过酒精介质湿法行星球磨工艺，配合冷压-热轧一体化制备路线，精准优化石墨烯添加量，实现了铝基体晶粒的显著细化，将纯铝3μm的平均晶粒尺寸细化至2.1μm，细化幅度达66.7%，远优于0.1wt.%、0.75wt.%石墨烯添加量的效果;证明了适量的石墨烯可同时作为再结晶异质形核核心与晶界钉扎剂，既提供充足的再结晶形核位点，又有效抑制热轧过程中晶粒的异常长大，实现了基体组织的均匀稳定细化，为复合材料力学性能的全面提升奠定了核心的组织基础。
[0019](2)本发明制备的0.5wt.%石墨烯增强铝基复合材料，实现了强度与塑性的协同跨越式提升，抗拉强度达到280.32±2.97MPa，较纯铝提升约49.3%，同时延伸率从纯铝的5.25±0.21%提升至6.11±0.37%，解决了传统铝基复合材料强度提升、塑性必然下降的强塑性倒置行业难题;0.5wt.%添加量的复合材料同时实现了最高的抗拉强度与最优的延伸率，综合力学性能优势显著，可满足航空航天薄壁件、汽车轻量化结构件、电子封装散热基板等高端领域的核心性能需求。
[0020](3)本发明采用的湿法行星球磨工艺，在温和条件下实现了石墨烯在铝粉表面的均匀吸附与分散，有效避免了干法球磨对石墨烯片层结构的冲击破坏，同时解决了高含量石墨烯易出现的严重团聚问题，配合低温热轧工艺可有效抑制石墨烯与铝基体之间脆性Al4C3相的生成，保证了基体与增强相之间洁净稳定的界面结合。
[0021](4)本发明工艺流程短、设备要求低、工艺参数可控性强，无需复杂的真空烧结、长时间再结晶退火等工序，可直接适配现有粉末冶金与塑性加工工业化生产线，具备大规模批量生产的潜力与极高的工程应用价值。
[0022]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0023]图1是本发明一种细晶结构高强铝基复合材料及其制备方法的工艺流程图;
图2是本发明一种细晶结构高强铝基复合材料及其制备方法实施例1的铝基复合材料中单层石墨烯粉末的分布图。
具体实施方式
[0024]本发明提供了一种细晶结构高强铝基复合材料，铝基复合材料由铝粉和单层石墨烯粉末组成，其中，单层石墨烯粉末的含量为0.1-0.75wt.%，余量为铝粉。
[0025]在本发明中，铝粉的粒径为25-30μm，单层石墨烯粉末的片层直径为1-5μm，厚度为0.3-2nm，铝粉与单层石墨粉末的纯度均≥99%。
[0026]铝粉作为复合材料的基体材料，提供轻质、高比强度、优良导热导电性和耐腐蚀等基本金属特性，其纯度为≥99%、粒径为25-30μm，保证了基体的纯净度和良好的成形性。在后续工艺中，铝粉通过塑性流动填充石墨烯片层之间的间隙，形成连续致密的金属基体，同时作为承载外力的主要相，将载荷通过界面传递给石墨烯增强相。
[0027]单层石墨烯粉末作为增强相，利用其超高的本征强度(理论130GPa)和杨氏模量(约1.0TPa)，在复合材料中承担载荷传递、阻碍位错运动，从而显著提高强度。同时，均匀分散的石墨烯片层在铝基体再结晶过程中提供大量的异质形核核心，并钉扎晶界，抑制晶粒长大，从而实现晶粒细化(平均晶粒尺寸可细至2.1μm)。其片层直径为1-5μm、厚度0.3-2nm、纯度≥99%的参数设计，确保了良好的分散性和增强效率。
[0028]如图1所示，上述所述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将铝粉和单层石墨烯粉末投入行星球磨罐中，加入酒精为球磨介质，并加入氧化锆球进行球磨，球磨后得到复合浆料;S1中，加入酒精后行星球磨罐中的固液比为1g:5mL，球磨的球粉质量比为(11-15):1，转速为400-450r/min，球磨时间为1-2h。
[0029]S1中以酒精为球磨介质，在400-450r/min的转速下球磨1-2h，使铝粉与单层石墨烯粉末在液相中均匀混合。酒精介质有效降低了石墨烯片层之间的范德华力，避免干法球磨中常见的石墨烯团聚和结构损伤;同时，温和的机械能促使石墨烯均匀吸附在铝粉表面，形成石墨烯包裹铝粉的复合结构，为后续致密化提供了无团聚、无有害界面反应的前驱体。
[0030]S2、将S1得到的复合浆料进行真空干燥除去酒精，干燥后过筛得到GNPs-Al片状粉末;S2中，真空干燥的温度为60-70℃，真空干燥的时间为15-20h，干燥后过100目筛。
[0031]S2中在60-70℃下真空干燥15-20h，彻底去除酒精溶剂，防止残留介质在后续热轧中引起气孔或氧化。干燥后过100目筛，进一步打散可能存在的软团聚，获得流动性好、成分均匀的GNPs-Al片状粉末，保证了冷压成型时生坯的密度均匀性和力学一致性。
[0032]S3、将S2得到的GNPs-Al片状粉末置于模具中，施加压力成型，保压后得到复合生坯;S3中，施加的压力为25-30MPa，保压10-60s。复合生坯的长度为20mm，宽度为10mm，高度为4-6mm。
[0033]S3中冷压成型避免了高温烧结导致的晶粒粗化，同时使粉末颗粒之间形成机械咬合和初步的冷焊结合，赋予生坯足够的强度以承受后续热轧操作，为热轧致密化提供了几何形状规整的预制体。
[0034]S4、将S3得到的复合生坯进行热轧，得到GNPs-Al复合材料。S4中，热轧操作为：第一道次压下量10~30%，后续每道次压下量20%，总压下量≥80%，终轧厚度为0.8-1mm，共进行5-8道次，且热轧过程中，每道次热轧完成后，回炉保温30-60min。
[0035]S4中热轧通过大塑性变形使铝基体发生动态再结晶，进一步细化晶粒;同时，轧制压力促使铝粉颗粒之间的界面闭合，实现复合材料的全致密化，并促使石墨烯片层沿轧制方向定向排布，优化载荷传递效率，且回炉保温保证了变形温度均匀，避免加工硬化导致的裂纹。
[0036]铝粉与单层石墨烯粉末的配比(0.1-0.75wt.%石墨烯，优选0.5wt.%)与湿法行星球磨工艺形成第一重协同：适量石墨烯在酒精介质中均匀包裹铝粉，既避免了干法球磨对石墨烯的破坏，又为后续细晶强化提供了充足的形核核心。
[0037]冷压成型与热轧工艺之间形成第二重协同：冷压获得高密度生坯，避免高温预烧结导致的晶粒粗化;热轧通过动态再结晶和晶界钉扎(来自均匀分散的石墨烯)将平均晶粒尺寸控制在2-4μm，同时使抗拉强度最高达到280MPa、延伸率超过6%，突破了传统铝基复合材料强度提升、塑性下降的瓶颈。此外，石墨烯添加量(0.5wt.%)与热轧温度(550℃)的协同抑制了有害Al4C3相脆性相的生成，保证了洁净的界面结合，从而实现了细晶强化与石墨烯增强的协同增效。
[0038]以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代，组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围，都属于本发明保护的范围。
[0039]在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的“实施例”一词并不一定指代相同的实施例，亦不特别限定其与其它实施例之间的独立性或关联性。原则上，在本申请中，只要不存在技术矛盾或冲突，各实施例中所提到的各项技术特征均可以以任意方式进行组合，以形成相应的可实施的技术方案。
[0040]除非另有定义，本文所使用的技术术语的含义与本申请所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同;本文中对相关术语的使用只是为了描述具体的实施例，而不是旨在限制本申请。
[0041]在本发明中，若无特殊说明，其他试验材料及仪器设备均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
[0042]实施例1
本发明提供了一种细晶结构高强铝基复合材料，铝基复合材料由铝粉和单层石墨烯粉末组成，其中，单层石墨烯粉末的含量为0.5wt.%，铝粉为99.5wt.%，铝基复合材料中单层石墨烯粉末的分布图如图2所示，其中红色区域为单层石墨烯粉末的分布区域，由图2可知，石墨烯片层在铝基体中实现了均匀、无团聚的分散状态。
[0043]其中，铝粉的粒径为25-30μm，单层石墨烯粉末的片层直径为1-5μm，厚度为0.3-2nm，铝粉与单层石墨粉末的纯度均≥99%。
[0044]上述的一种细晶结构高强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将铝粉和单层石墨烯粉末投入行星球磨罐中，加入酒精作为球磨介质，固液比为1g:5mL，加入2.5mm氧化锆球，球粉比为12:1，转速为420r/min，球磨时间为1.5h，球磨后得到复合浆料。
[0045]S2、将S1得到的复合浆料在65℃真空干燥箱中干燥18h，完全去除酒精，干燥后的粉末过100目筛，得到0.5wt.% GNPs-Al片状粉末。
[0046]S3、将S2得到的GNPs-Al片状粉末装入钢制模具，在26MPa压力下成型，保压30s，获得长度为20mm、宽度为10mm、高度约5mm的复合生坯。
[0047]S4、将S3得到的复合生坯在550±10℃下进行多道次热轧：第一道次压下量15%，后续每道次压下量20%，总压下量不低于80%，共进行6道次的轧制，终轧厚度约0.8mm。轧制过程中每道次回炉保温45min，得到0.5wt.% GNPs-Al复合材料。
[0048]实施例2
本实施例与实施例1唯一不同的是：单层石墨烯粉末的含量为0.75wt.%，铝粉为99.25wt.%，其余条件均相同。
[0049]实施例3
本实施例与实施例1唯一不同的是：单层石墨烯粉末的含量为0.1wt.%，铝粉为99.9wt.%，其余条件均相同。
[0050]对比例1
本对比例与实施例1唯一不同的是：本对比例中没有加入单层石墨烯粉末，制备得到的材料由100wt.%的铝粉组成，其余条件均相同。
[0051]对实施例1-3和对比例1制备得到的材料进行性能测试，测试结果如表1所示。
[0052]表1 工艺参数与性能测试结果
[0053]通过实施例1-3可以看出，随着石墨烯含量从0.1wt.%增加至0.75wt.%，复合材料的平均晶粒尺寸先减小后增大，抗拉强度和延伸率也均呈现先升高后降低的规律性变化。其中实施例1的平均晶粒尺寸最细，为2.1μm，抗拉强度最高，为280.32±2.97MPa，延伸率也达到最优的6.11±0.37%，综合性能最佳。实施例2的平均晶粒尺寸为2.8μm，抗拉强度为256±14.2MPa，延伸率为4.82±1.25%。实施例3的平均晶粒尺寸为3.4μm，抗拉强度为231±4.23MPa，延伸率为3.26±0.76%。上述结果表明，石墨烯含量为0.5wt.%时，晶粒细化效果最佳，强度和塑性的综合性能最优。石墨烯含量过高(0.75wt.%)或过低(0.1wt.%)均会导致晶粒粗化，力学性能显著降低。
[0054]通过实施例1与实施例2、实施例3对比可见，石墨烯含量为0.5wt.%时，平均晶粒尺寸仅2.1μm，而0.75wt.%时晶粒尺寸增至2.8μm，0.1wt.%时也达到3.4μm。这表明石墨烯含量存在一个最优值，在此含量下石墨烯均匀分散，既能提供足够的异质形核位点细化晶粒，又能通过晶界钉扎效应抑制晶粒长大;而石墨烯含量过高时容易发生团聚，反而失去晶粒细化效果，导致晶粒粗化、性能下降;含量过低时形核位点不足，无法实现充分的晶粒细化，力学性能提升有限。因此，适当的石墨烯添加量是实现晶粒细化、强塑性匹配的关键。
[0055]通过实施例1和对比例1对比可见，不添加石墨烯的纯铝平均晶粒尺寸为3μm，抗拉强度为201.2±2.53MPa，延伸率为5.25±0.21%。与实施例1相比，纯铝的晶粒更粗，强度明显不足，说明适量石墨烯的加入能够显著细化晶粒、大幅提高强度，同时保持优异的塑性。
[0056]与纯铝(201.2MPa)相比，0.5wt.%石墨烯/铝复合材料的抗拉强度达到280.3MPa，提升约49.3%。这一提升源于两方面的叠加效应：一方面，2.1μm的细晶组织通过Hall-Petch关系贡献细晶强化;另一方面，均匀分散且结构完整的石墨烯高效承担载荷传递并阻碍位错运动，两种机制在0.5wt.%配比下相互增益，而单纯细晶(纯铝)或单纯石墨烯增强(但团聚)均无法达到该强度水平。
[0057]且传统认知中，加入硬质增强相通常导致塑性下降，但实施例1中0.5wt.%石墨烯/铝复合材料的延伸率(6.11%)反而高于纯铝(5.25%)。这是由于湿法球磨使石墨烯均匀分散，避免了团聚体作为应力集中源引发早期断裂;同时，细晶组织(2.1μm)提供了更多的晶内位错存储空间，延缓了颈缩失稳，而石墨烯与铝基体之间洁净的界面(抑制Al4C3生成)保证了变形过程中的载荷传递效率。这三者协同作用，使强度与塑性同步提升。
[0058]通过对比可以看出，实施例1通过湿法行星球磨结合热轧空冷的一体化工艺，并优化石墨烯含量至0.5wt.%，成功制备出平均晶粒尺寸细至2.1μm、抗拉强度超过280MPa、延伸率高于6%的铝基复合材料，实现了细晶强化与石墨烯增强的协同效应，综合性能明显优于实施例2-3及对比例1。
[0059]冷压成型在25-30MPa下获得具有一定强度的复合生坯，避免了高温烧结导致的晶粒粗化;随后在550±10℃进行多道次热轧(总压下量≥80%)，通过动态再结晶进一步细化晶粒，同时利用每道次回炉保温(30-60min)维持温度，使材料在无单独退火工序下直接获得高致密度和细晶组织。这一冷压+热轧一体化路线省去了传统粉末冶金中的高温长时间烧结，与石墨烯的钉扎效应协同，共同抑制晶粒长大至2-4μm范围。
[0060]因此，本发明采用上述一种细晶结构高强铝基复合材料及其制备方法，通过湿法行星球磨与冷压-热轧一体化工艺的协同作用，实现了石墨烯在铝基体中的均匀分散且结构完整无损，有效抑制了脆性界面反应产物的生成;以适量石墨烯同时作为再结晶异质形核核心与晶界钉扎剂，显著细化铝基体晶粒，从而在提升材料强度的同时保持甚至改善塑性，彻底打破了传统铝基复合材料强塑性倒置的瓶颈;此外，该工艺流程简洁、无需复杂烧结或退火工序，与现有粉末冶金及轧制生产线高度适配，具有良好的工业化推广价值。
[0061]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
说明书附图(2)
