超強超細鋁鎂合金線的石墨烯納米化增強技術

石偉和，黃顯吞，吳順意

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

由于鋁鎂合金線跟傳統純銅圓導線相比，主要有重量輕（是目前最輕的金屬構件材料）、強度高（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（對通訊內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）等優點，廣泛應用于軍事航空航天、高頻信號傳輸通訊網絡以及有線電視屏蔽同軸電纜領域。并從現在美國、歐洲和日本等發達國家都在大力推廣使用鋁鎂芯線纜的國際發展趨勢觀察，線纜的鋁鎂合金化和超強超導超細化是當前世界通訊行業的發展方向，鋁鎂合金線材料具有廣闊的應用前景。

1 面臨挑戰

由于在向超強超導超細微方向發展中出現的鋁鎂合金線強度降低、線間發粘、電阻率增大以及在拉拔過程中出現“裂、斷、漏”等問題，極大影響了我國鋁鎂線纜企業向超導超細超強方向發展。如美國ALCOA、日本KOBELCO、德國CORUS等國外著名品牌鋁鎂線纜企業針對超強超導超細鋁鎂合金線已進行多年的研究并擁有自己獨有的設計制備工藝技術。

但由于受產權保護以及技術封鎖影響，我們鋁鎂線纜產品在某些關鍵技術上受制于人（“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度、延伸率和電導率等方面還有待突破，必須在耐壓、耐拉、耐抗擊方面取得實質性進展，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度、導電性有待提高而斷線率有待降低，難于拉制到Ф0.10mm以下規格。

2 石墨烯納米化增強技術方法

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。而在熔煉這個環節中，主要把晶粒細化劑合金粉混合后直接摻雜浸入鋁溶液中方法，這種沒能使這些細化劑充分熔合和發揮應有作用，以致制備出來的鋁鎂合金線的電導率、強度與塑性有待加強。所以當前世界各國都在努力探索在制備工藝優化、材料成分改進、鋁熔體凈化技術等改善或增強鋁鎂合金絲線的綜合性能。特別是近年來由于石墨烯的發現，為進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，晶粒細化劑（石墨烯納米化）能提高導體材料的電學性能和達到各項增強效果，這樣石墨烯納米化后增強材料超強導電性。特別起界面強化和位錯強化作用的是石墨烯納米化復合材料的強化機制[1]，石墨烯納米化后與基體結合良好并細化鋁合金顯微組織[2]。那么利用石墨烯納米化就能起到很好的晶界強化作用，減小斷裂缺陷，從而提高合金的抗拉強度和伸長率、抗拉應力和腐蝕能力以及合金絲線的強度、韌性等。所以開展石墨烯納米化合金可控制備，進行石墨烯納米化增強鋁鎂合金線材料技術，因此，尋找出能高效強化超強超導超細微化鋁鎂合金絲線材的材料晶粒細化和可控制備方法。

通過晶粒細化劑細化基體金屬顆粒，增加材料的細化活性與強韌性，減小金屬顆粒尺寸，特別是進行金屬材料功能納米化限域，降低原子跨越勢壘，增加增強相活性，使石墨烯納米化抑制金屬納米顆粒長大，實現合金材料超強超導性與調控制備。

同時構建鋁鎂復合材料反應體系，調節合成方法，著重進行調控晶格結構來提高合金材料超強超導能力。這樣，經過石墨烯納米化以及鋁熔體凈化、電場細化和絲線表面技術處理，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 石墨烯納米化增強技術路線

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

探討材料成分設計與微量元素作用機制，擬通過材料成分設計與石墨烯納米化技術方法，從多元合金成分設計和微量元素作用機理入手，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化強化、亞結構強化和彌散析出強化等作用機理進行分析，從關鍵原材料中進行微結構調控制備和石墨烯納米化負載協同研究，提高材料韌性與導電率，提升強度。從工藝-微結構-性能的角度出發，著重從石墨烯納米化、可控制備兩個方面探討微結構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配套可控制備工藝與處理方法，從而尋找出能高效能超細微化鋁鎂合金絲線材的可控制備和應用技術方法，解決行業拉拔過程中出現“斷、漏、裂”等難題，實現超強超導性能，達到提高材料綜合性能目標。具體技術路線如下圖所示。

圖1 石墨烯納米化增強技術流程

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構、顯微硬度、室溫力學性能等。即對合金的相結構和表面形態進行分析：通過借助力學性能測試和光學金相(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構進行表征，用點陣參數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，與相圖熱力學的計算結構相結合，測試絲線合金強度、硬度、抗摔撞、沖擊韌性、耐卷繞性等力學性能和導電特性等物理性能，選擇適當的物理參量進行拉伸試驗、屈服強度測試、布氏硬度測試、沖擊韌性測試、斷裂伸長率以及電導率、電阻率檢測等，特別是石墨烯納米化對超強超細鋁鎂合金細絲線的微觀組織結構、時效硬化特性、再結晶行為及力學/電學性能的影響。

經過大量而且連續不斷地嘗試與研究,力爭使超細零級鋁鎂合金線的抗拉強度能夠得到顯著增大（從現有的230Mpa提高到260Mpa左右）、斷裂延伸率能夠明顯提高(從現有的8%提高到10%左右)、電阻率有效降低(從現有的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質性進展，為改善鋁鎂合金線的綜合性能提供可靠的理論指導。

同時，在成型設備與成型工藝設計與優化等方面進行改進，研發出一系列性能優越、制備工藝簡潔的能夠在實際生產中使用的技術與可控制備工藝，獲得高性能鋁鎂合金線的生產技術和工藝，使這種技術工藝在線纜企業實踐中發揮應有的價值，進一步拓展了鋁鎂合金在電力電纜方面的應用。使鋁土礦儲量達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基地并率先向超強超導超細鋁鎂合金線方向邁進。

4 小結

從晶粒細化-處理工藝-性能-微結構之間聯系的角度出發，很好解決合金中增強析出相行為遺留的問題，著重從石墨烯納米化負載、晶粒尺寸和晶粒取向兩個方面探討微結構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合微合金化強韌化合金研究，研究探討石墨烯納米化增強鋁鎂合金線材料可控制備機理，從而尋找出能高效能超細微化鋁鎂合金絲線材的可控制備和應用技術方法。即主要通過石墨烯納米化增強鋁鎂合金線材料的可控制備與應用技術，能夠解決鋁鎂合金線材料在向超強超導超細微化發展過程中出現的線間發粘、剝離困難、合金絲強度和電導率低等難題，提高絲線長期承受隨機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良的力學和電學性能，獲得高性能鋁鎂合金線的生產工藝和技術方法，為充分利用我國豐富的鋁資源開發出具有高強韌性能的鋁鎂合金線提供參考和借鑒。