[發明專利]碳納米管增強金屬基復合材料及其原位制備方法

有效

• 申請號: 201010577458.5
• 申請日: 2010-12-08
• 公開（公告）號: CN102002652A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 李志強;曹霖霖;江林;范根蓮;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C47/14
• 分類號: C22C47/14;C22C49/14;C22C101/10
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種復合材料技術領域的制備方法，具體是一種碳納米管增強金屬基復合材料及其原位制備方法。

背景技術

碳納米管因具有優異的力學性能和物理特性而受到多個學科研究者的廣泛關注，以之為增強體的碳納米管增強金屬基復合材料，不但可以用作輕質高強的結構材料，而且還可用作導電、導熱、耐磨、減振的功能材料，因此成為近年來材料領域研究開發的熱點。但是由于碳納米管之間存在很強的范德華力，極易產生團聚，導致碳納米管很難在以之為增強體的金屬基復合材料中均勻分散。傳統的外加方法，如粉末冶金、攪拌鑄造、無壓滲透等，在制備的碳納米管增強金屬基復合材料時，會造成碳納米管完美結構的破壞，使其性能遠未達到預期的效果。另一方面，原位復合技術，即在金屬基體中原位生成碳納米管，可以較好地解決碳納米管均勻分散同時保持結構完好的難題。

經過對現有技術文獻的檢索發現，中國發明專利″氣相沉積原位反應制備碳納米管增強鋁基復合材料的方法″(公開號CN?1730688A)，首先采用化學沉積沉淀法在金屬粉末表面生成Ni(OH)₂，然后經高溫煅燒、氧氣還原得到金屬納米Ni催化劑，再采用化學氣相沉積的方法在金屬粉末表面原位制備碳納米管；中國發明專利″超臨界流體原位制備碳納米管增強金屬基復合材料的方法″(公開號CN?101234427)和中國發明專利″碳納米管增強金屬基復合材料的原位制備方法″(公開號CN?101818274A)，通過高溫高壓、甚至達到超臨界狀態的溶劑熱反應，在金屬粉末表面原位生成碳納米管等納米碳增強體。隨后，這三項技術均采用粉末冶金方法將所得的復合粉末制成塊體復合材料，較好地解決了納米碳在金屬基復合材料中的分散難題，但是仍然存在較大的不足：(1)第一種技術反應條件溫和，但是制備催化劑的工藝過程復雜且可控性差，故而所得催化劑顆粒的尺寸不集中、分布不均勻，影響最終納米碳增強體的形態、尺寸和分布；(2)后兩種技術在高溫高壓的液態介質、甚至在超臨界流體中進行，反應條件苛刻，所得納米碳增強體多為非晶狀態且副產物較多。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種碳納米管增強金屬基復合材料及其原位制備方法，采用料漿處理在金屬粉末的表面形成含有適量催化劑前驅物的碳源物質薄膜，通過發揮有機物或聚合物等碳源物質的空間位阻效應，原位生成細小而彌散的催化劑顆粒，進而通過有機物或聚合物的催化熱解反應在金屬粉末的表面原位生成均勻分散的碳納米管。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種碳納米管增強金屬基復合材料的原位制備方法，首先在金屬粉末的表面包覆碳源物質和催化劑前驅物，然后基于催化熱解反應在金屬粉末的表面原位生成碳納米管，得到碳納米管與金屬復合粉末，最后再采用粉末冶金技術進行致密化處理得到碳納米管增強金屬基復合材料。

所述的表面包覆是指：將金屬粉末與前驅物溶液混合，通過攪拌或者超聲分散使金屬粉末的表面均勻地吸附碳源物質、催化劑前驅物和還原劑，然后經過濾干燥即得表面包覆金屬粉末；

所述的金屬粉末為Al、Fe、Cu、Mg或Ti及其合金粉末中的一種或組合。

所述的前驅物溶液通過將碳源物質、催化劑前驅物和還原劑加入到溶劑中進行攪拌或者超聲分散，其中：催化劑前驅物與碳源物質的摩爾比為0.05-0.1，還原劑與催化劑前驅物的摩爾比為0.1-1.0；

所述的催化劑前驅物為Al、Mg、Cu、Fe、Co、Ni的硝酸鹽、氯化鹽、硫酸鹽、茂金屬化合物或金屬羰基化合物中的一種或其組合，例如硝酸鐵、硝酸鈷、硝酸鎳、氯化鐵、氯化銅、硫酸鎂、二茂鐵、羰基鎳等。

所述的還原劑為葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、糊精、維生素C、草酸、丙二酸、檸檬酸、蘋果酸、酒石酸或酒石酸鹽中的一種或其組合。

所述的催化熱解反應是指：在N₂，、Ar惰性氣體中加熱至500-800℃并進行熱解反應1-2小時且同步生成催化劑。

所述的采用粉末冶金技術進行致密化處理是指：先將碳納米管與金屬的復合粉末冷壓成塊體，然后再進行熱壓、熱等靜壓、熱擠壓或熱軋等熱變形加工。

所述的溶劑為甲醇、乙醇、丙酮或水中的一種或其組合。

所述的碳源物質為聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇或乙二醇中的一種或其組合。

本發明涉及上述方法制備得到的碳納米管增強金屬基復合材料，由金屬基體和其中分散的碳納米管組成，其中：碳納米管為在金屬基體中原位生成的多壁碳納米管，其體積分數為0.1％-10％。