超强超细铝镁合金线的石墨烯纳米化增强技术

石伟和，黄显吞，吴顺意

（1.百色学院，广西 百色 533000；2广西博导铝镁线缆有限公司，广西 平果 531400）

由于铝镁合金线跟传统纯铜圆导线相比，主要有重量轻（是目前最轻的金属构件材料）、强度高（抗拉压性能好）、韧性好（延伸率、柔韧性以及耐卷绕性能好）、屏蔽强（对通讯内容更具很好保障和安全作用）和成本低廉（与其他有色金属相比，铝最便宜）等优点，广泛应用于军事航空航天、高频信号传输通讯网络以及有线电视屏蔽同轴电缆领域。并从现在美国、欧洲和日本等发达国家都在大力推广使用铝镁芯线缆的国际发展趋势观察，线缆的铝镁合金化和超强超导超细化是当前世界通讯行业的发展方向，铝镁合金线材料具有广阔的应用前景。

1 面临挑战

由于在向超强超导超细微方向发展中出现的铝镁合金线强度降低、线间发粘、电阻率增大以及在拉拔过程中出现“裂、断、漏”等问题，极大影响了我国铝镁线缆企业向超导超细超强方向发展。如美国ALCOA、日本KOBELCO、德国CORUS等国外著名品牌铝镁线缆企业针对超强超导超细铝镁合金线已进行多年的研究并拥有自己独有的设计制备工艺技术。

但由于受产权保护以及技术封锁影响，我们铝镁线缆产品在某些关键技术上受制于人（“卡脖子”问题），无法跟国外这些著名品牌相抗衡，特别是在提高线丝强度、延伸率和电导率等方面还有待突破，必须在耐压、耐拉、耐抗击方面取得实质性进展，特别是对于高铁含量的铝土矿电解得出的铝锭，熔解后增加了材料脆性，制备出来的铝镁合金丝线强度、导电性有待提高而断线率有待降低，难于拉制到Ф0.10mm以下规格。

2 石墨烯纳米化增强技术方法

目前铝镁合金丝线工艺制备中通常采用熔炼—平引铸杆—拉拔—中间退火—拉拔—成品退火来生产。而在熔炼这个环节中，主要把晶粒细化剂合金粉混合后直接掺杂浸入铝溶液中方法，这种没能使这些细化剂充分熔合和发挥应有作用，以致制备出来的铝镁合金线的电导率、强度与塑性有待加强。所以当前世界各国都在努力探索在制备工艺优化、材料成分改进、铝熔体净化技术等改善或增强铝镁合金丝线的综合性能。特别是近年来由于石墨烯的发现，为进一步提高铝镁合金线的综合性能提供了可能。

由于各碳原子之间的连接非常柔韧，晶粒细化剂（石墨烯纳米化）能提高导体材料的电学性能和达到各项增强效果，这样石墨烯纳米化后增强材料超强导电性。特别起界面强化和位错强化作用的是石墨烯纳米化复合材料的强化机制[1]，石墨烯纳米化后与基体结合良好并细化铝合金显微组织[2]。那么利用石墨烯纳米化就能起到很好的晶界强化作用，减小断裂缺陷，从而提高合金的抗拉强度和伸长率、抗拉应力和腐蚀能力以及合金丝线的强度、韧性等。所以开展石墨烯纳米化合金可控制备，进行石墨烯纳米化增强铝镁合金线材料技术，因此，寻找出能高效强化超强超导超细微化铝镁合金丝线材的材料晶粒细化和可控制备方法。

通过晶粒细化剂细化基体金属颗粒，增加材料的细化活性与强韧性，减小金属颗粒尺寸，特别是进行金属材料功能纳米化限域，降低原子跨越势垒，增加增强相活性，使石墨烯纳米化抑制金属纳米颗粒长大，实现合金材料超强超导性与调控制备。

同时构建铝镁复合材料反应体系，调节合成方法，着重进行调控晶格结构来提高合金材料超强超导能力。这样，经过石墨烯纳米化以及铝熔体净化、电场细化和丝线表面技术处理，获得高性能的铝镁合金材料和减少在拉拔过程中长期存在的“裂、断、漏”等问题。

3 石墨烯纳米化增强技术路线

主要研究石墨烯纳米化增强铝镁合金线材料的可控制备与应用技术，铝镁合金线丝的强度降低、线间发粘、电阻率增大以及在拉拔过程中出现的“断、漏、裂”等问题得到比较好的解决。

探讨材料成分设计与微量元素作用机制，拟通过材料成分设计与石墨烯纳米化技术方法，从多元合金成分设计和微量元素作用机理入手，深入研究石墨烯纳米化与铝镁基体合金组元的交换作用，以及在合金中所起的晶粒细化强化、亚结构强化和弥散析出强化等作用机理进行分析，从关键原材料中进行微结构调控制备和石墨烯纳米化负载协同研究，提高材料韧性与导电率，提升强度。从工艺-微结构-性能的角度出发，着重从石墨烯纳米化、可控制备两个方面探讨微结构特征对合金疲劳各种性能的影响，探索出一套新型有效的相关配套可控制备工艺与处理方法，从而寻找出能高效能超细微化铝镁合金丝线材的可控制备和应用技术方法，解决行业拉拔过程中出现“断、漏、裂”等难题，实现超强超导性能，达到提高材料综合性能目标。具体技术路线如下图所示。

图1 石墨烯纳米化增强技术流程

研制出系列铝镁合金丝线材料样品，研究合金的微观组织结构、显微硬度、室温力学性能等。即对合金的相结构和表面形态进行分析：通过借助力学性能测试和光学金相(OM)、X-衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜(TEM)与能谱仪(EDS)的观察和分析等对合金的微观组织结构进行表征，用点阵参数法测定物相的固溶度；测定等温截面图和部分变温截面采用差热分析（DTA/TG）测定合金在高温下的相变温度，与相图热力学的计算结构相结合，测试丝线合金强度、硬度、抗摔撞、冲击韧性、耐卷绕性等力学性能和导电特性等物理性能，选择适当的物理参量进行拉伸试验、屈服强度测试、布氏硬度测试、冲击韧性测试、断裂伸长率以及电导率、电阻率检测等，特别是石墨烯纳米化对超强超细铝镁合金细丝线的微观组织结构、时效硬化特性、再结晶行为及力学/电学性能的影响。

经过大量而且连续不断地尝试与研究,力争使超细零级铝镁合金线的抗拉强度能够得到显著增大（从现有的230Mpa提高到260Mpa左右）、断裂延伸率能够明显提高(从现有的8%提高到10%左右)、电阻率有效降低(从现有的0.06Ω·mm2/m降低到0.05Ω·mm2/m)以及丝线表面光泽/光滑度都得到很好改变，在耐酸、耐碱、耐腐蚀以及耐压、耐拉、耐抗击等方面取得实质性进展，为改善铝镁合金线的综合性能提供可靠的理论指导。

同时，在成型设备与成型工艺设计与优化等方面进行改进，研发出一系列性能优越、制备工艺简洁的能够在实际生产中使用的技术与可控制备工艺，获得高性能铝镁合金线的生产技术和工艺，使这种技术工艺在线缆企业实践中发挥应有的价值，进一步拓展了铝镁合金在电力电缆方面的应用。使铝土矿储量达8亿多吨、素有“亚洲铝都”之称的广西百色市壮大铝镁合金线缆生产基地并率先向超强超导超细铝镁合金线方向迈进。

4 小结

从晶粒细化-处理工艺-性能-微结构之间联系的角度出发，很好解决合金中增强析出相行为遗留的问题，着重从石墨烯纳米化负载、晶粒尺寸和晶粒取向两个方面探讨微结构特征对合金疲劳性能的影响，开展石墨烯纳米化与多组元复合微合金化强韧化合金研究，研究探讨石墨烯纳米化增强铝镁合金线材料可控制备机理，从而寻找出能高效能超细微化铝镁合金丝线材的可控制备和应用技术方法。即主要通过石墨烯纳米化增强铝镁合金线材料的可控制备与应用技术，能够解决铝镁合金线材料在向超强超导超细微化发展过程中出现的线间发粘、剥离困难、合金丝强度和电导率低等难题，提高丝线长期承受随机交变载荷引起疲劳损坏的能力。使制备得到的铝镁合金线具有优良的力学和电学性能，获得高性能铝镁合金线的生产工艺和技术方法，为充分利用我国丰富的铝资源开发出具有高强韧性能的铝镁合金线提供参考和借鉴。