超強(qiáng)超細(xì)鋁鎂合金線的石墨烯納米化增強(qiáng)技術(shù)

石偉和，黃顯吞，吳順意

（1.百色學(xué)院，廣西 百色 533000；2廣西博導(dǎo)鋁鎂線纜有限公司，廣西 平果 531400）

由于鋁鎂合金線跟傳統(tǒng)純銅圓導(dǎo)線相比，主要有重量輕（是目前最輕的金屬構(gòu)件材料）、強(qiáng)度高（抗拉壓性能好）、韌性好（延伸率、柔韌性以及耐卷繞性能好）、屏蔽強(qiáng)（對通訊內(nèi)容更具很好保障和安全作用）和成本低廉（與其他有色金屬相比，鋁最便宜）等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事航空航天、高頻信號傳輸通訊網(wǎng)絡(luò)以及有線電視屏蔽同軸電纜領(lǐng)域。并從現(xiàn)在美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家都在大力推廣使用鋁鎂芯線纜的國際發(fā)展趨勢觀察，線纜的鋁鎂合金化和超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)化是當(dāng)前世界通訊行業(yè)的發(fā)展方向，鋁鎂合金線材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 面臨挑戰(zhàn)

由于在向超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)微方向發(fā)展中出現(xiàn)的鋁鎂合金線強(qiáng)度降低、線間發(fā)粘、電阻率增大以及在拉拔過程中出現(xiàn)“裂、斷、漏”等問題，極大影響了我國鋁鎂線纜企業(yè)向超導(dǎo)超細(xì)超強(qiáng)方向發(fā)展。如美國ALCOA、日本KOBELCO、德國CORUS等國外著名品牌鋁鎂線纜企業(yè)針對超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)鋁鎂合金線已進(jìn)行多年的研究并擁有自己獨(dú)有的設(shè)計(jì)制備工藝技術(shù)。

但由于受產(chǎn)權(quán)保護(hù)以及技術(shù)封鎖影響，我們鋁鎂線纜產(chǎn)品在某些關(guān)鍵技術(shù)上受制于人（“卡脖子”問題），無法跟國外這些著名品牌相抗衡，特別是在提高線絲強(qiáng)度、延伸率和電導(dǎo)率等方面還有待突破，必須在耐壓、耐拉、耐抗擊方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，特別是對于高鐵含量的鋁土礦電解得出的鋁錠，熔解后增加了材料脆性，制備出來的鋁鎂合金絲線強(qiáng)度、導(dǎo)電性有待提高而斷線率有待降低，難于拉制到Ф0.10mm以下規(guī)格。

2 石墨烯納米化增強(qiáng)技術(shù)方法

目前鋁鎂合金絲線工藝制備中通常采用熔煉—平引鑄桿—拉拔—中間退火—拉拔—成品退火來生產(chǎn)。而在熔煉這個環(huán)節(jié)中，主要把晶粒細(xì)化劑合金粉混合后直接摻雜浸入鋁溶液中方法，這種沒能使這些細(xì)化劑充分熔合和發(fā)揮應(yīng)有作用，以致制備出來的鋁鎂合金線的電導(dǎo)率、強(qiáng)度與塑性有待加強(qiáng)。所以當(dāng)前世界各國都在努力探索在制備工藝優(yōu)化、材料成分改進(jìn)、鋁熔體凈化技術(shù)等改善或增強(qiáng)鋁鎂合金絲線的綜合性能。特別是近年來由于石墨烯的發(fā)現(xiàn)，為進(jìn)一步提高鋁鎂合金線的綜合性能提供了可能。

由于各碳原子之間的連接非常柔韌，晶粒細(xì)化劑（石墨烯納米化）能提高導(dǎo)體材料的電學(xué)性能和達(dá)到各項(xiàng)增強(qiáng)效果，這樣石墨烯納米化后增強(qiáng)材料超強(qiáng)導(dǎo)電性。特別起界面強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化作用的是石墨烯納米化復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制[1]，石墨烯納米化后與基體結(jié)合良好并細(xì)化鋁合金顯微組織[2]。那么利用石墨烯納米化就能起到很好的晶界強(qiáng)化作用，減小斷裂缺陷，從而提高合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率、抗拉應(yīng)力和腐蝕能力以及合金絲線的強(qiáng)度、韌性等。所以開展石墨烯納米化合金可控制備，進(jìn)行石墨烯納米化增強(qiáng)鋁鎂合金線材料技術(shù)，因此，尋找出能高效強(qiáng)化超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)微化鋁鎂合金絲線材的材料晶粒細(xì)化和可控制備方法。

通過晶粒細(xì)化劑細(xì)化基體金屬顆粒，增加材料的細(xì)化活性與強(qiáng)韌性，減小金屬顆粒尺寸，特別是進(jìn)行金屬材料功能納米化限域，降低原子跨越勢壘，增加增強(qiáng)相活性，使石墨烯納米化抑制金屬納米顆粒長大，實(shí)現(xiàn)合金材料超強(qiáng)超導(dǎo)性與調(diào)控制備。

同時構(gòu)建鋁鎂復(fù)合材料反應(yīng)體系，調(diào)節(jié)合成方法，著重進(jìn)行調(diào)控晶格結(jié)構(gòu)來提高合金材料超強(qiáng)超導(dǎo)能力。這樣，經(jīng)過石墨烯納米化以及鋁熔體凈化、電場細(xì)化和絲線表面技術(shù)處理，獲得高性能的鋁鎂合金材料和減少在拉拔過程中長期存在的“裂、斷、漏”等問題。

3 石墨烯納米化增強(qiáng)技術(shù)路線

主要研究石墨烯納米化增強(qiáng)鋁鎂合金線材料的可控制備與應(yīng)用技術(shù)，鋁鎂合金線絲的強(qiáng)度降低、線間發(fā)粘、電阻率增大以及在拉拔過程中出現(xiàn)的“斷、漏、裂”等問題得到比較好的解決。

探討材料成分設(shè)計(jì)與微量元素作用機(jī)制，擬通過材料成分設(shè)計(jì)與石墨烯納米化技術(shù)方法，從多元合金成分設(shè)計(jì)和微量元素作用機(jī)理入手，深入研究石墨烯納米化與鋁鎂基體合金組元的交換作用，以及在合金中所起的晶粒細(xì)化強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和彌散析出強(qiáng)化等作用機(jī)理進(jìn)行分析，從關(guān)鍵原材料中進(jìn)行微結(jié)構(gòu)調(diào)控制備和石墨烯納米化負(fù)載協(xié)同研究，提高材料韌性與導(dǎo)電率，提升強(qiáng)度。從工藝-微結(jié)構(gòu)-性能的角度出發(fā)，著重從石墨烯納米化、可控制備兩個方面探討微結(jié)構(gòu)特征對合金疲勞各種性能的影響，探索出一套新型有效的相關(guān)配套可控制備工藝與處理方法，從而尋找出能高效能超細(xì)微化鋁鎂合金絲線材的可控制備和應(yīng)用技術(shù)方法，解決行業(yè)拉拔過程中出現(xiàn)“斷、漏、裂”等難題，實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)超導(dǎo)性能，達(dá)到提高材料綜合性能目標(biāo)。具體技術(shù)路線如下圖所示。

圖1 石墨烯納米化增強(qiáng)技術(shù)流程

研制出系列鋁鎂合金絲線材料樣品，研究合金的微觀組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度、室溫力學(xué)性能等。即對合金的相結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)進(jìn)行分析：通過借助力學(xué)性能測試和光學(xué)金相(OM)、X-衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡(TEM)與能譜儀(EDS)的觀察和分析等對合金的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，用點(diǎn)陣參數(shù)法測定物相的固溶度；測定等溫截面圖和部分變溫截面采用差熱分析（DTA/TG）測定合金在高溫下的相變溫度，與相圖熱力學(xué)的計(jì)算結(jié)構(gòu)相結(jié)合，測試絲線合金強(qiáng)度、硬度、抗摔撞、沖擊韌性、耐卷繞性等力學(xué)性能和導(dǎo)電特性等物理性能，選擇適當(dāng)?shù)奈锢韰⒘窟M(jìn)行拉伸試驗(yàn)、屈服強(qiáng)度測試、布氏硬度測試、沖擊韌性測試、斷裂伸長率以及電導(dǎo)率、電阻率檢測等，特別是石墨烯納米化對超強(qiáng)超細(xì)鋁鎂合金細(xì)絲線的微觀組織結(jié)構(gòu)、時效硬化特性、再結(jié)晶行為及力學(xué)/電學(xué)性能的影響。

經(jīng)過大量而且連續(xù)不斷地嘗試與研究,力爭使超細(xì)零級鋁鎂合金線的抗拉強(qiáng)度能夠得到顯著增大（從現(xiàn)有的230Mpa提高到260Mpa左右）、斷裂延伸率能夠明顯提高(從現(xiàn)有的8%提高到10%左右)、電阻率有效降低(從現(xiàn)有的0.06Ω·mm2/m降低到0.05Ω·mm2/m)以及絲線表面光澤/光滑度都得到很好改變，在耐酸、耐堿、耐腐蝕以及耐壓、耐拉、耐抗擊等方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為改善鋁鎂合金線的綜合性能提供可靠的理論指導(dǎo)。

同時，在成型設(shè)備與成型工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)出一系列性能優(yōu)越、制備工藝簡潔的能夠在實(shí)際生產(chǎn)中使用的技術(shù)與可控制備工藝，獲得高性能鋁鎂合金線的生產(chǎn)技術(shù)和工藝，使這種技術(shù)工藝在線纜企業(yè)實(shí)踐中發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值，進(jìn)一步拓展了鋁鎂合金在電力電纜方面的應(yīng)用。使鋁土礦儲量達(dá)8億多噸、素有“亞洲鋁都”之稱的廣西百色市壯大鋁鎂合金線纜生產(chǎn)基地并率先向超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)鋁鎂合金線方向邁進(jìn)。

4 小結(jié)

從晶粒細(xì)化-處理工藝-性能-微結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系的角度出發(fā)，很好解決合金中增強(qiáng)析出相行為遺留的問題，著重從石墨烯納米化負(fù)載、晶粒尺寸和晶粒取向兩個方面探討微結(jié)構(gòu)特征對合金疲勞性能的影響，開展石墨烯納米化與多組元復(fù)合微合金化強(qiáng)韌化合金研究，研究探討石墨烯納米化增強(qiáng)鋁鎂合金線材料可控制備機(jī)理，從而尋找出能高效能超細(xì)微化鋁鎂合金絲線材的可控制備和應(yīng)用技術(shù)方法。即主要通過石墨烯納米化增強(qiáng)鋁鎂合金線材料的可控制備與應(yīng)用技術(shù)，能夠解決鋁鎂合金線材料在向超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)微化發(fā)展過程中出現(xiàn)的線間發(fā)粘、剝離困難、合金絲強(qiáng)度和電導(dǎo)率低等難題，提高絲線長期承受隨機(jī)交變載荷引起疲勞損壞的能力。使制備得到的鋁鎂合金線具有優(yōu)良的力學(xué)和電學(xué)性能，獲得高性能鋁鎂合金線的生產(chǎn)工藝和技術(shù)方法，為充分利用我國豐富的鋁資源開發(fā)出具有高強(qiáng)韌性能的鋁鎂合金線提供參考和借鑒。