[發明專利]利用預制塊制備碳納米管鑄鋼復合材料的方法

無效

• 申請號: 201310253982.0
• 申請日: 2013-06-25
• 公開（公告）號: CN103352164A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 周澤華;辛勇;曾效舒
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: C22C38/00
• 分類號: C22C38/00;C22C33/04
• 代理公司: 南昌市平凡知識產權代理事務所 36122
• 代理人: 夏材祥

技術領域

本發明屬于制備金屬與輕質碳材料復合材料領域，涉及一種利用預制塊制備碳納米管鑄鋼復合材料的方法。

背景技術

鋼是重要的工業原料，高強度高韌性的同時比強度又高的鋼材一直是鋼材料研發者的目標，鋼材性能的提高無論是對國家和世界都有著重要的意義。在過去的100多年中，人們對鋼進行了全方位的研究，金屬基復合材料的出現，給人們一條新的思路對其進行研究。

高熔點金屬的碳納米管復合材料至今較少被研究。在已有的研究中，碳納米管在金屬中的應用以低熔點金屬為主，一般是采用粉末冶金方法進行復合材料的制備。采用熔融體加入的方法制備碳納米管與高熔點金屬復合材料難度大，未見過相關報道。

鋼的熔點達到1500^oC，鋼液比重很大，直接加入輕質碳納米管易上浮，很難有效進行添加和分散。這在低熔點金屬中可以通過攪拌鑄造法完成，而在高熔點大比重金屬中幾乎不可能采用這一方法。種種難處，限制了高熔點金屬的碳納米管復合材料的研究。在之前的文獻檢索中，只找到碳納米管與鋁、鎂、銅、鋅、鎳的復合材料研究，研究碳納米管與鋼的復合材料的文獻未見。采用熔融加入法研究碳納米管和高溫金屬制備復合材料至今研究極少，而其實際操作較之粉末冶金或熱擠壓法卻更簡單，成本低，周期短，不需要對現有的澆注設備做大的改進，所以更具工業意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種將經預混合、成球、冷壓而成碳納米管預制塊，將該預制塊加入鋼水中，從而制得碳納米管鑄鋼復合材料的方法。

本發明所采取的技術方案是：選取鐵粉，然后在球磨機中與添加有少量粘結劑的碳納米管混合，取出混合物，冷壓成型，形成ф20mm的圓餅薄塊，烘干焙燒后粉碎至顆粒度為2mm的顆粒放入澆包內。

使用鑄造方法，融化鑄鋼，在澆出鋼水的同時加入碳管預制塊，制得碳納米管鑄鋼復合材料。高溫鋼水與碳納米管結合力較好，同時避免碳納米管被氧化。檢測表明，碳納米管沒有被澆注高溫破壞，能夠發揮其增強作用。

本發明工藝步驟如下：

1、以質量百分比計，按下列配方稱取原料：碳納米管0.01-4%，鐵粉0.01-10%，硅酸鈉粘結劑0.01-1%，硅鐵0.01-0.3%，錳鐵0.01-0.3%，鋁0.01-0.3%，鋼84-99%;

2、選取顆粒度200目以下的鐵粉，加入粘結劑，與碳納米管粉料在球磨機中預攪拌成混合物，混合球磨時間1小時以上，使之混合充分；

3、將混合物取出，送入壓片機中，冷壓壓片成ф20mm的圓餅薄塊，將圓餅送入馬弗爐中焙燒，溫度為400℃，焙燒時間為4小時；

4、烘干結晶水后粉碎至顆粒度為2mm的顆粒放入澆包內，將鋼原料放入中頻爐中熔煉，融化后加溫至1600^oC，順序加入脫氧劑硅鐵，錳鐵，鋁，之后降溫至1550^?oC，將鋼水澆入放置了預制塊的澆包中，停留30秒后澆注到鑄型內，得到復合材料產品。

本發明的有益效果是：與粉末冶金進行復合的方法相比，本發明解決了將碳納米管加入熔融鋼水的問題，并具有以下特點：

（1）鋼作為重要的工業材料，市場廣闊，以其為基體低成本制備復合材料具有重大意義。

（2）采用熔融加入法研究碳納米管和高溫金屬制備復合材料，其實際操作較之粉末冶金或熱擠壓法更簡單，周期短。

（3）在原有的澆注設備上生產，不需要對現有的澆注設備做大的改動，所以更具工業意義。

附圖說明

圖1為復合材料鋸屑掃描電鏡圖；

圖中：左上角較為平坦的100平方微米區域Ⅰ內能夠找到20多個碳納米管，這些碳納米管在該視場內分布較均勻；由圖1可見，利用預制塊制備碳納米管鑄鋼復合材料的方法將碳納米管加入到了制備的復合材料中；

圖2為圖1中標示為“CNT?1”的碳納米管的放大圖；

從圖中可以看到，該碳管直徑約為50納米，已經看不到中空，顯示該碳管被鋼液浸潤。在該碳管根部形成一個更大的實心圓柱，直徑約為150納米，顯示鋼水能夠在碳管周圍生長，形成鑲嵌在鋼基體內的微小“碳管鋼筋”。這起到加強鋼基體的作用。

具體實施方式

實施例1：

原料配比為（質量百分比）：碳納米管2%，鐵粉10%，鋼料86.1%,?硅酸鈉粘結劑1%，硅鐵0.3%，錳鐵0.3%，鋁0.3%。