黃顯吞，吳順意，韋旭林

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

鋁鎂合金線(xiàn)具有抗拉壓韌性好，可編織性強(qiáng)，特別是鋁鎂絲線(xiàn)編織屏蔽網(wǎng)線(xiàn)與塑料復(fù)合之后，對(duì)通訊內(nèi)容更具保障和安全作用，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于有線(xiàn)電視同軸電纜、高頻信號(hào)傳輸以及軍工業(yè)和航空航天領(lǐng)域，是寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)纜的主要配套產(chǎn)品[1]。而且從國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，世界各國(guó)都在大力推廣應(yīng)用鋁鎂芯線(xiàn)纜，這充分說(shuō)明鋁鎂合金絲線(xiàn)材料的廣泛應(yīng)用前景。特別是線(xiàn)纜的鋁鎂合金化和超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)化是解決當(dāng)前世界通訊行業(yè)面臨的能源、環(huán)境、安全、高效等問(wèn)題的有效措施。

1 發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)有鋁鎂合金絲線(xiàn)仍存在絲線(xiàn)硬度、韌性、抗拉壓強(qiáng)度、延伸率等物理性能普遍偏低以及電導(dǎo)率偏低而電阻率偏高等電學(xué)問(wèn)題，在向超強(qiáng)超細(xì)微方向發(fā)展中出現(xiàn)的“裂、斷、漏”等問(wèn)題，極大影響了我國(guó)鋁鎂線(xiàn)纜企業(yè)向超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)方向發(fā)展。目前世界各國(guó)都在努力嘗試在材料成分設(shè)計(jì)、優(yōu)化材料制備工藝、鋁熔體凈化技術(shù)、特殊的熱處理工藝和拉拔道次優(yōu)化等不同角度研究以改善或增強(qiáng)鋁鎂合金絲線(xiàn)的綜合性能為目標(biāo)[2，3]。特別是石墨烯作為一種特殊的二維碳納米材料，具有比表面積大（理論值為2 630 m2·g-1）和高電子遷移率（2×105cm2·V-1·s-1）等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、超級(jí)電容器等領(lǐng)域中，并取得了良好的效果。

同時(shí)，由于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，特別是石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，各碳原子之間的連接非常柔韌，這樣石墨烯納米化后增強(qiáng)材料超強(qiáng)導(dǎo)電性。特別是石墨烯納米復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制主要是界面強(qiáng)化、載荷的有效傳遞及位錯(cuò)強(qiáng)化[4]，與基體結(jié)合良好并細(xì)化鋁合金顯微組織[5]。而且，現(xiàn)代社會(huì)生活中，隨著輸電容量的加倍劇增，輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)所需的容量及性能越來(lái)越高，導(dǎo)線(xiàn)載流量的不斷擴(kuò)大需要導(dǎo)線(xiàn)具備更高的強(qiáng)度來(lái)保證。那么，鋁鎂合金絲線(xiàn)的超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)微化是發(fā)展方向，石墨烯納米化是生產(chǎn)高性能優(yōu)質(zhì)鋁鎂合金細(xì)線(xiàn)制備最為關(guān)鍵的技術(shù)，高效能線(xiàn)材納米化是合金強(qiáng)韌化的重要途徑和研究重點(diǎn)。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 石墨烯納米化負(fù)載

由于納米控制合金鑄錠組織能夠熔鑄出細(xì)小均勻的等軸晶，晶粒細(xì)化是對(duì)傳統(tǒng)材料升級(jí)和創(chuàng)造新型合金的主要工藝手段之一。因此，可運(yùn)用不同的晶粒細(xì)化方法來(lái)獲得細(xì)小的等軸晶，即結(jié)晶組織的微細(xì)化處理，探索制備工藝、催化摻雜以及功能納米化限域后的材料調(diào)控。特別是石墨烯納米化在合金中主要起固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和彌散析出強(qiáng)化等作用，使石墨烯具有高模量和高強(qiáng)度的力學(xué)性質(zhì)；以及共軛效應(yīng)顯著，使石墨烯具有特殊的電學(xué)性質(zhì)。研究石墨烯在鋁鎂合金絲線(xiàn)材中的細(xì)晶強(qiáng)化、有限固溶強(qiáng)化和第二項(xiàng)強(qiáng)化等，這種變化在一定程度上強(qiáng)化了鋁鎂合金絲線(xiàn)，提高合金強(qiáng)度和耐腐蝕性能，使合金絲線(xiàn)的綜合力學(xué)和電學(xué)性能達(dá)到最佳。

2.2 超強(qiáng)超導(dǎo)合金的可控制備

在超強(qiáng)超導(dǎo)微結(jié)構(gòu)調(diào)控和微合金化理論指導(dǎo)下，研究開(kāi)展石墨烯納米化以增強(qiáng)鋁鎂合金線(xiàn)材性能[3]，從關(guān)鍵原材料（鋁、鎂、銅、鈧、鋯、錳等中間合金）制備進(jìn)行納米化、微合金化、強(qiáng)韌化研究[5]，提高材料韌性與導(dǎo)電率的合金母材。同時(shí)，由于合金的微結(jié)構(gòu)特征決定了其使用性能，研究從性能-微結(jié)構(gòu)-處理工藝之間聯(lián)系的角度出發(fā)，更加關(guān)注解決過(guò)去在重要合金中增強(qiáng)析出相行為遺留的問(wèn)題，通過(guò)利用顯微技術(shù)觀察和分析對(duì)合金的微觀結(jié)構(gòu)在加工及熱處理過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)特征演變規(guī)律進(jìn)行可控制備，著重從晶粒尺寸和晶粒取向兩個(gè)方面探討微結(jié)構(gòu)特征對(duì)合金疲勞性能的影響，對(duì)合金的相結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)進(jìn)行分析。特別是研究可控制備技術(shù)對(duì)超強(qiáng)超細(xì)鋁鎂合金細(xì)絲線(xiàn)的力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)、時(shí)效硬化特性及再結(jié)晶行為的影響[7]。探索通過(guò)石墨烯納米化增強(qiáng)鋁鎂合金線(xiàn)材料的可控制備技術(shù)使材料綜合性能達(dá)到最優(yōu)的普適方法和途徑。

3 制備技術(shù)

3.1 不同微量元素的優(yōu)化配置比及最佳制備工藝

隨著輸電容量的加倍劇增，電纜輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)所需的性能越來(lái)越高，導(dǎo)線(xiàn)載流量的不斷擴(kuò)大需要導(dǎo)線(xiàn)具備更高的強(qiáng)度來(lái)保證。為此，在原有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及前期課題的研究基礎(chǔ)上，采用創(chuàng)新方法進(jìn)行材料成分配置，在微合金化理論指導(dǎo)下，利用顯微技術(shù)和第一性原理能量計(jì)算模擬加入微合金元素時(shí)效初期微結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，尋找出合金綜合配料比的平衡點(diǎn)，得出性能最優(yōu)化的高性能鋁鎂合金絲線(xiàn)材配置比，選擇最佳制備工藝（包括退火、扎制、復(fù)合工藝的改進(jìn)與控制）后進(jìn)行力學(xué)性能和電學(xué)性能的測(cè)試，總結(jié)出提高合金絲線(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)的技術(shù)方法。

3.2 石墨烯納米化對(duì)合金結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律與可控制備機(jī)制[9]

采取石墨烯納米化負(fù)載研究鋁鎂合金線(xiàn)長(zhǎng)期承受隨機(jī)交變載荷引起疲勞損壞的能力，制取在各種工況下鋁鎂合金線(xiàn)的載荷譜。并結(jié)合現(xiàn)代納米加工工藝技術(shù)進(jìn)行可控制備，采用更先進(jìn)的凈化技術(shù)、復(fù)合變質(zhì)和內(nèi)外表面納米優(yōu)化處理等，探索出新型成熟的電場(chǎng)細(xì)化、凈化和內(nèi)外表面優(yōu)化處理技術(shù)。進(jìn)行鋁鎂合金的多因子綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究設(shè)計(jì)不同組成元素、配比、制備工藝以及合金形態(tài)的綜合優(yōu)化，為制備新一代鋁鎂合金線(xiàn)材料提供依據(jù)和方法。

特別是石墨烯納米化能起到很好的晶界強(qiáng)化作用，從而提高合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，同時(shí)減小斷裂缺陷，提高抗應(yīng)力和腐蝕能力、合金絲線(xiàn)的強(qiáng)度和韌性等。那么，充分利用石墨烯納米化的高比表面積與納米化復(fù)合負(fù)載型催化劑的高分散催化增強(qiáng)之間的協(xié)同效應(yīng)有效地整合了各自的優(yōu)點(diǎn)并協(xié)同活化，共同促進(jìn)，從而大大提高了其基體鋁鎂合金線(xiàn)材料的導(dǎo)電性和抗拉壓性。采用石墨烯納米化增強(qiáng)鋁鎂合金線(xiàn)材料的可控制備，促進(jìn)鋁鎂合金線(xiàn)的性能達(dá)到最優(yōu)問(wèn)題。即石墨烯納米化改性材料的綜合性能并實(shí)現(xiàn)合金性能調(diào)控，由（合金材料+石墨烯納米化模板）得到功能納米化化限域后的合金材料，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)超強(qiáng)性能，達(dá)到提高材料綜合性能目標(biāo)。

然而，難點(diǎn)是由于石墨烯表面比較光滑，化學(xué)性質(zhì)又相對(duì)穩(wěn)定，化學(xué)穩(wěn)定性高，與金屬基體本身的潤(rùn)濕性較差，與其他介質(zhì)（如溶劑等）的相互作用較弱。若將石墨烯直接與Al-Mg 合金材料簡(jiǎn)單混合或混雜，很難將石墨烯與其它合金材料有機(jī)熔合并結(jié)合在一起。特別是傳統(tǒng)方法是將細(xì)化劑直接投放到鋁溶液中，石墨烯很難跟其它溶質(zhì)溶合。而且，由于石墨烯密度較小而漂浮在合金溶液上方，達(dá)不到細(xì)化效果。但是，創(chuàng)新利用石墨烯邊沿及缺陷部位具有較高的反應(yīng)活性，實(shí)現(xiàn)石墨烯在其它金屬中的分散性以及溶解度。特別是采用燒結(jié)并結(jié)合機(jī)械合金化法制備復(fù)合材料，在球磨過(guò)程中石墨烯薄片容易斷裂形成石墨烯碎片，這些碎片彌散分布在Al-Mg 合金顆粒周?chē)?，不僅抑制了Al 的氧化和鈍化，而且有效抑制合金顆粒的焊合與黏合，在納米化過(guò)程中就能有效地避免顆粒團(tuán)聚，優(yōu)化了Al-Mg基體金屬的分散度，從而達(dá)到增強(qiáng)Al-Mg 合金絲線(xiàn)材性能的目的。

4 技術(shù)路線(xiàn)

墨烯納米化增強(qiáng)鋁鎂合金線(xiàn)材料的可控制備與應(yīng)用技術(shù)，探討材料成分設(shè)計(jì)與微量元素作用機(jī)制，從性能-微結(jié)構(gòu)-處理工藝之間聯(lián)系的角度出發(fā)，解決合金中增強(qiáng)析出相行為遺留的問(wèn)題，開(kāi)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，著重從石墨烯納米化負(fù)載、晶粒尺寸和晶粒取向兩個(gè)方面探討微結(jié)構(gòu)特征對(duì)合金疲勞性能的影響，研究探討石墨烯納米化增強(qiáng)鋁鎂合金線(xiàn)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(xiàn)材的可控制備和應(yīng)用技術(shù)方法。具體技術(shù)路線(xiàn)如上圖所示：

5 技術(shù)方案

根據(jù)以上鋁鎂合金線(xiàn)在向超強(qiáng)超導(dǎo)超細(xì)發(fā)展中存在的科學(xué)問(wèn)題，采取的解決技術(shù)方案主要是：

①降低關(guān)鍵元素材料顆粒尺寸至納米層級(jí)；

②加入石墨烯納米復(fù)合負(fù)載型晶粒細(xì)化劑；

③采用功能材料納米化與納米復(fù)合負(fù)載晶粒細(xì)化協(xié)同效應(yīng)方式改善鋁鎂合金線(xiàn)材料性能。

有效策略主要是：

①可控制備——細(xì)化顆粒與催化劑，減小顆粒尺寸，擴(kuò)大內(nèi)層空間將會(huì)大大增加材料的催化活性與強(qiáng)韌性；

②功能納米化限域——石墨烯納米化抑制納米顆粒長(zhǎng)大，降低原子勢(shì)壘，增加增強(qiáng)相活性，實(shí)現(xiàn)合金材料超導(dǎo)性與調(diào)控制備；

③構(gòu)建復(fù)合反應(yīng)體系——調(diào)控晶格，調(diào)節(jié)合成方法，熱力學(xué)去穩(wěn)定化，協(xié)同活化與協(xié)同效應(yīng)重整并雙重提高合金材料超強(qiáng)超導(dǎo)能力。

這樣，研究石墨烯納米化對(duì)超強(qiáng)超細(xì)鋁鎂合金細(xì)絲線(xiàn)的力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)、時(shí)效硬化特性及再結(jié)晶行為的影響，研制出系列鋁鎂合金絲線(xiàn)材料，通過(guò)材料成分設(shè)計(jì)與晶粒細(xì)化分析，以及電場(chǎng)細(xì)化、鋁熔體凈化和絲線(xiàn)表面技術(shù)處理，獲得超細(xì)微鋁鎂合金線(xiàn)材晶粒細(xì)化的效果，從而改變鋁鎂合金線(xiàn)的韌性，達(dá)到獲得高性能的鋁鎂合金材料和減少拉拔過(guò)程中的‘裂、斷、漏’等問(wèn)題，拉制出超細(xì)微規(guī)格的鋁鎂合金絲線(xiàn)，并在各個(gè)企業(yè)中得到推廣應(yīng)用。