一种高导热高强度铝合金材料及其制备方法与流程

本发明涉及高导热高强度铝合金材料制备的，尤其是涉及一种高导热高强度铝合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金由于资源丰富、轻质、易回收利用等特点，被广泛应用在机械设备、电子电器、交通运输等领域。在电子通信领域，各类电子元器件高度集成，随着运行频率增加、功率大幅提高，其发热量也明显提高，从而影响电子设备工作的稳定性。

2、常见铸造铝合金导热系数一般低于150w/(m·k)，如adc12、a356、a380等，难以满足零部件对散热能力的要求。随着5g通信时代的到来，电子产品和通信设备小型化、轻量化、集成化的程度的提高，设备的散热量超过当前铝合金材料的自然冷却散热能力的现象愈加明显，这限制了铝合金材料的进一步发展和应用。

3、针对上述相关技术，发明人发现，铝合金一般通过在al基体中引入固溶原子、析出强化相或生成中间相来强化合金。而根据金属导热的微观机制分析，铝合金中晶体点阵中缺陷、固溶原子或析出相会造成电场周期发生变化，从而导致参与传热的自由电子受到散射的概率增加，降低电子的平均自由程，导致合金导热性能下降。因此，通常认为，铝合金的强化与材料导热性能的提升构成矛盾，所以需要在有效改善铝合金材料导热性能的同时，对其力学性能进一步优化，使其具有优异的强度和良好的导热性能。

技术实现思路

1、为了改善现有铝合金材料不能兼顾高导热性和高强度的缺陷，本技术提供一种高导热高强度铝合金材料及其制备方法。

2、第一方面，本技术提供一种高导热高强度铝合金材料，采用如下的技术方案：

3、一种高导热高强度铝合金材料，由以下百分比元素组成：6％-15％si、0.5％-1.0％fe、0.3％-0.5％mg、0.2％-0.5％mn和0.2％-1.8％ni；余量为al。

4、通过上述技术方案，本技术优化了高导热高强度铝合金材料的组成比例，通过优化各元素的含量，调整了si的添加比例，si的含量增加可以提高铝合金的流动性，填充铸造时铸件的收缩缝，并且可以显著提升合金的硬度和强度，在此基础上，本技术进一步选用ni元素，通过包晶反应将脆性片状β-al5fesi金属间化合物转变为拉长的al9feni相，抑制铝硅合金中针状相的形成，从而使铝合金材料强度提高的同时，改善其劣化导热性能的缺陷，从而实现了铝合金材料兼顾良好导热性能和强度性能的要求。

5、进一步的，所述高导热高强度铝合金材料还添加有高导热改性剂，所述高导热改性剂包括石墨烯、碳纳米管或石墨颗粒中的至少一种。

6、通过上述技术方案，本技术在高导热高强度铝合金材料中添加碳材料作为高导热改性剂，由于碳材料具有良好的导热性能，通过将其填充至铝合金材料内部从而形成良好的导热路径，显著降低热阻，提高热导率，极大地改善了散热性能，同时碳材料为主的高导热改性剂的加入还可以有效细化合金晶粒，从而有效增强材料的强度和刚性，使得合金在高温环境下仍能保持优良的机械性能。

7、进一步的，所述高导热改性剂表面包覆有界面改性层，所述界面改性层包括金属沉积层。

8、进一步的，所述金属沉积层中的金属元素包括la、sr、ce或er中的至少一种。

9、通过上述技术方案，本技术优化了高导热改性剂的结构，通过在高导热改性剂表面设置金属沉积层，可以改善改性剂与铝基体之间的界面结合力，增强材料的整体性能。这种界面改性不仅可以提高导热性，还能改善耐磨性和抗腐蚀性，延长合金材料的使用寿命。同时，金属沉积层的存在可以有效抑制热传导过程中的界面热阻，提高热导率。

10、在此基础上，本技术进一步优化了金属沉积层中的元素种类，通过la、sr、ce或er等元素显著提升合金材料的强度、耐腐蚀性以及高温稳定性，同时上述稀土元素具有优良的合金化效果，它们能够改善材料的微观结构，提高晶粒细化和相分布的均匀性，进而增强合金的力学性能和热稳定性。

11、进一步的，所述高导热改性剂表面包覆有镧铈包覆层，所述高导热改性剂采用以下技术方案制成：

12、取碳酸镧铈置于去离子水中，添加硝酸调节ph，搅拌混合并添加尿素和十六烷基三甲基溴化铵，收集得混合液，再取石墨烯溶液置于混合液，超声分散并收集分散浆液，过滤并收集滤饼；

13、将滤饼置于真空炉中，通保护气体后，在高温环境下热处理1-2h，静置冷却至室温，即可制备得所述高导热改性剂。

14、通过上述技术方案，本技术优化了高导热改性剂表面包覆有镧铈包覆层的技术方案，由于碳酸镧铈在高温环境下分解形成氧化物，再在碳材料和高温环境下还原并有效沉积在高导热改性剂表面，从而简单快捷的制备出表面包覆有镧铈包覆层的高导热改性剂材料，

15、进一步的，所述热处理温度为1000-1100℃。

16、第二方面，本技术提供了一种高导热高强度铝合金材料的制备方法，采用以下技术方案：

17、一种高导热高强度铝合金材料的制备方法，包括以下制备步骤：

18、按配方将原料铝、铁、镍合金材料置于加热炉中，升温加热熔融处理；

19、待加热熔融后，再将单晶硅添加至加热炉中，保温处理并降温；

20、对降温后的加热炉中添加纯镁，搅拌混合并加入精炼剂和高导热改性剂，精炼处理并扒渣，收集熔融液并浇注至模具中，静置冷却即可制备得所述高导热高强度铝合金材料。

21、通过上述技术方案，本技术优化了高导热高强度铝合金材料的制备方法，根据不同原料的性质，调整原料添加的顺序，改善原料组分的混合均匀程度，从而进一步提高了铝合金材料的力学性和导热性能，同时本技术在精炼阶段的引入，确保了铝合金中杂质的去除，进一步提升材料的纯度和性能。

22、进一步的，所述精炼处理还包括超声辅助改性处理，所述超声辅助改性处理功率为900-1200w，处理时间为80-100s。

23、通过上述技术方案，本技术在精炼处理过程中应用超声辅助改性技术的方案，首先，由于原料熔融形成的熔体中总是含有氧化物、碳化物、氮化物和硼化物等杂质颗粒，它们的表面往往具有微米级的裂缝和裂纹，由于其表面存在气相，因此不可被熔体浸湿，通过超声辅助处理，能有效改善熔体对杂质粒子的润湿，从而激活它们成为有效的成核位点。

24、其次，本技术通过超声辅助的技术方案，可以显著提高合金熔体的流动性和均匀性，促进合金元素的均匀分布，增强物理化学反应的速率，这一处理方法能够有效降低熔体中的气泡数量，提高铝合金的致密性，从而提升其力学性能和导热性能。

25、最后，本技术优化了超声功率和处理时间，可以实现对合金材料性能的精细调控，确保最终产品具有优良的导热性与强度，使其更适合于高端制造和应用领域。

26、进一步的，一种高导热高强度铝合金材料的制备方法还包括固溶和时效处理，所述固溶和时效处理包括以下步骤：

27、在500-550℃下固溶5-7h，室温水淬处理后，再在160-180℃下时效处理10-18h。

28、综上所述，本技术具有以下有益效果：

29、第一、本技术优化了高导热高强度铝合金材料的组成比例，通过优化各元素的含量，调整了si的添加比例，si的含量增加可以提高铝合金的流动性，填充铸造时铸件的收缩缝，并且可以显著提升合金的硬度和强度，在此基础上，本技术进一步选用ni元素，通过包晶反应将脆性片状β-al5fesi金属间化合物转变为拉长的al9feni相，抑制铝硅合金中针状相的形成，从而使铝合金材料强度提高的同时，改善其劣化导热性能的缺陷，从而实现了铝合金材料兼顾良好导热性能和强度性能的要求。

30、第二、本技术在高导热高强度铝合金材料中添加碳材料作为高导热改性剂，由于碳材料具有良好的导热性能，通过将其填充至铝合金材料内部从而形成良好的导热路径，显著降低热阻，提高热导率，极大地改善了散热性能，同时碳材料为主的高导热改性剂的加入还可以有效细化合金晶粒，从而有效增强材料的强度和刚性，使得合金在高温环境下仍能保持优良的机械性能。

31、第三、本技术优化了高导热改性剂的结构，通过在高导热改性剂表面设置金属沉积层，可以改善改性剂与铝基体之间的界面结合力，增强材料的整体性能。这种界面改性不仅可以提高导热性，还能改善耐磨性和抗腐蚀性，延长合金材料的使用寿命。同时，金属沉积层的存在可以有效抑制热传导过程中的界面热阻，提高热导率。

32、在此基础上，本技术进一步优化了金属沉积层中的元素种类，通过la、sr、ce或er等元素显著提升合金材料的强度、耐腐蚀性以及高温稳定性，同时上述稀土元素具有优良的合金化效果，它们能够改善材料的微观结构，提高晶粒细化和相分布的均匀性，进而增强合金的力学性能和热稳定性。

33、第四、本技术在精炼处理过程中应用超声辅助改性技术的方案，首先，由于原料熔融形成的熔体中总是含有氧化物、碳化物、氮化物和硼化物等杂质颗粒，它们的表面往往具有微米级的裂缝和裂纹，由于其表面存在气相，因此不可被熔体浸湿，通过超声辅助处理，能有效改善熔体对杂质粒子的润湿，从而激活它们成为有效的成核位点。

34、其次，本技术通过超声辅助的技术方案，可以显著提高合金熔体的流动性和均匀性，促进合金元素的均匀分布，增强物理化学反应的速率，这一处理方法能够有效降低熔体中的气泡数量，提高铝合金的致密性，从而提升其力学性能和导热性能。