轻质高导热石墨片增强镁基复合材料制备方法技术

一种轻质高导热石墨片增强镁基复合材料制备方法，属于导热镁基复合材料技术领域，解决Mg合金导热性能受限的技术问题，包括以下步骤：石墨片预处理

【技术实现步骤摘要】
轻质高导热石墨片增强镁基复合材料制备方法


[0001]本专利技术属于导热镁基复合材料
，具体涉及的是一种轻质高导热石墨片增强镁基复合材料制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子器件不断小型化、轻量化和高性能方向发展，其功率密度不断增加，单位体积的发热量越来越大，因而在可移动电子产品和电动汽车等领域产生了巨大的散热需求。Mg的密度显著低于铜和铝等目前常见的高导热金属，在节能减排、提高能源利用效率和减少碳排放等方面的贡献不容忽视。目前广泛使用的商用镁合金如AM60和AZ91，虽然拥有良好的成型和室温力学性能，但是其散热能力并不理想，其热导率值分别只有61W/(m
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K)和53 W/(m
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K)，远低于纯Mg的热导率值156W/(m
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K)。值得注意的是，传统上通过调控合金成分和显微组织以改善Mg合金导热性能的技术方法对导热性能的提升并不明显。受限于Mg本身导热载流子（如电子和声子）的物理特性，室温下退火态纯镁的热导率就是其导热性能的极限。
[0003]石墨片的导热性能十分优良，其沿基面方向的热导率约为1000W/(m
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K)，是Mg合金的数倍之多。因此，以高导热石墨片为增强体轻质镁合金为基体制备的石墨片/镁基复合材料有望获得优异导热性能的同时满足市场对轻质材料的需求。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术中的不足，解决Mg合金导热性能受限的技术问题，本专利技术提供一种轻质高导热石墨片增强镁基复合材料制备方法。r/>[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：轻质高导热石墨片增强镁基复合材料制备方法，包括以下步骤：S1、石墨片预处理：将石墨片烘干，去除石墨片表面吸附的水分及有机物质，然后在400℃条件下保温备用；材料制备过程中对石墨片的预处理十分关键。大气环境中的水汽极容易吸附在纳米尺度和微米尺度的石墨片上，给复合材料的制备带来了不安全因素。此外，对石墨片的高温烘烤也有利于去除其表面的有机物或有机官能团，起到洁净表面的效果；S2、本步骤S2中全程通入流动的保护气体：首先，将步骤S1预热后的石墨片加入半固态Mg合金熔体中之后进行机械搅拌，石墨片的体积分数为1vol.%~25vol.%，机械搅拌转速为500rpm~1700rpm，机械搅拌时间为20min；其次，将半固态Mg合金熔体升温至液态；再次，将Mg合金熔液进行超声处理，超声处理的温度为710℃，超声处理的功率为1kW~2kW，超声处理的频率为20kHz，超声处理的时间为5min~15min，超声处理后的Mg合金熔液静置3min；最后，将超声处理后的Mg合金熔液浇铸至预热后的模具中压铸成形，压铸成形压力为450KN，压铸成形时间为3min，制得压铸坯料；合理的半固态温度、机械搅拌、超声处理工艺和浇铸参数的控制是石墨片增强镁
基复合材料制备的关键，这主要是因为石墨片与Mg熔体的润湿性较差，石墨片难以在Mg合金溶液中均匀分散；S3、本步骤S3中全程通入氩气：将步骤S2制得的压铸坯料进行均匀化处理，依次包括以下阶段：第一阶段：均匀化处理温度为320℃，均匀化处理时间为8h；第二阶段：均匀化处理温度为430℃，均匀化处理时间为16h；S4、将步骤S3均匀化处理后的压铸坯料进行热挤压成形，热挤压比为(12~25):1，热挤压速度为0.01mm
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‑1~25mm
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‑1，热挤压温度为180℃~350℃，制得轻质高导热石墨片增强镁基复合材料；热挤压有助于细化石墨片增强镁基复合材料的晶粒，并使其石墨片形成定向排布，有助于导热性能的提升。值得注意的是，若热挤压工艺不当将造成复合材料内的石墨片破碎，倒置其导热性能降低。
[0006]进一步地，在所述步骤S1中，所述石墨片的纯度为：含碳量>99%，石墨化程度>90%；石墨片的尺寸为：厚度为0.2mm~5mm，直径为1mm ~50mm。
[0007]进一步地，在所述步骤S1中，石墨片烘干依次包括以下阶段：第一阶段：烘干温度为80℃，保温时间为6h；第二阶段：烘干温度为120℃，保温时间为2h；第三阶段：烘干温度为250℃，保温时间为6h。
[0008]进一步地，在所述步骤S1中，石墨片保温备用的有效时间为0.5h ~3h。
[0009]进一步地，在所述步骤S2中，半固态Mg合金熔体为Mg
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Zn系列镁合金熔体，含锌量为2wt.%~6wt.%，半固态温度为600℃~630℃。
[0010]进一步地，在所述步骤S2中，所述保护气体的组成及其体积百分数为：CO2：99vol.%，SF6：1vol.%。
[0011]与现有技术相比本专利技术的有益效果为：本专利技术提出的石墨片增强镁基复合材料是一种新型的高导热轻质复合材料。所采用的所有材料成本都相对较低。其搅拌铸造工艺相对比较简单，能够制备大尺寸块体，有利于进一步工业化生产及应用。
[0012]本专利技术所制得的石墨片增强镁基复合材料棒材沿挤压方向的热导率高达170W/(m
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K)，且密度在1.86 g/cm3以下，在保持Mg合金轻质优势的前提下实现了导热性能的突破。
附图说明
[0013]图1为实施例1制备的铸态石墨片增强镁基复合材料金相显微组织图；图2为对比例1制备的铸态石墨片增强镁基复合材料金相显微组织图；图3为实施例1制备的挤压态石墨片增强镁基复合材料扫描电子显微照片；图4为实施例1制备的挤压态石墨片增强镁基复合材料元素分布图；图5为实施例1与对比例1制备的挤压态石墨片增强镁基复合材料的导热率与密度条形图。
具体实施方式
[0014]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例，且对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。
[0015]另外，其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
[0016]实施例1轻质高导热石墨片增强镁基复合材料制备方法，包括以下步骤：S1、石墨片预处理：本实施例1中选择石墨片的纯度为：含碳量>99%，石墨化程度>90%；石墨片的尺寸为：厚度为5mm，直径为30mm；将石墨片烘干，石墨片烘干依次包括以下阶段：第一阶段：烘干温度为80℃，保温时间为6h；第二阶段：烘干温度为120℃，保温时间为2h；第三阶段：烘干温度为250℃，保温时间为6h；去除石墨片表面吸附的水分及有机物质，然后在400℃条件下保温备用，需要注意的是：石墨片保温备用的有效时间为0.5h ~3h；S2、Mg
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5Zn镁合金基体精炼：将打磨干净的纯Mg块置于坩埚中，并在纯Mg块底面与顶面上分别撒一层用于保护熔体的覆盖剂，升温至760℃，通入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.轻质高导热石墨片增强镁基复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、石墨片预处理：将石墨片烘干，去除石墨片表面吸附的水分及有机物质，然后在400℃条件下保温备用；S2、本步骤S2中全程通入流动的保护气体：首先，将步骤S1预热后的石墨片加入半固态Mg合金熔体中之后进行机械搅拌，石墨片的体积分数为1vol.%~25vol.%，机械搅拌转速为500rpm~1700rpm，机械搅拌时间为20min；其次，将半固态Mg合金熔体升温至液态；再次，将Mg合金熔液进行超声处理，超声处理的温度为710℃，超声处理的功率为1kW~2kW，超声处理的频率为20kHz，超声处理的时间为5min~15min，超声处理后的Mg合金熔液静置3min；最后，将超声处理后的Mg合金熔液浇铸至预热后的模具中压铸成形，压铸成形压力为450KN，压铸成形时间为3min，制得压铸坯料；S3、本步骤S3中全程通入氩气：将步骤S2制得的压铸坯料进行均匀化处理，依次包括以下阶段：第一阶段：均匀化处理温度为320℃，均匀化处理时间为8h；第二阶段：均匀化处理温度为430℃，均匀化处理时间为16h；S4、将步骤S3均匀化处理后的压铸坯料进行热挤压成形，热挤压比为(12~25):1，热挤压速度为0.01mm
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‑1~25mm
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【专利技术属性】
技术研发人员：邓坤坤，张立，徐超，王翠菊，聂凯波，史权新，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：