[發明專利]定向碳納米管增強金屬基復合材料制備裝置及方法

有效

• 申請號: 201310422144.1
• 申請日: 2013-09-16
• 公開（公告）號: CN103484706A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 李賀軍;梁軍浩;齊樂華;關俊濤;彭斌
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;B22D27/02
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種金屬基復合材料制備裝置，特別涉及一種定向碳納米管增強金屬基復合材料制備裝置。還涉及一種利用這種定向碳納米管增強金屬基復合材料制備裝置制備定向碳納米管增強金屬基復合材料的方法。

背景技術

金屬基復合材料因彈性模量高、韌性與耐沖擊性好、對溫度改變的敏感性小、較高的導電性和導熱性等優點而倍受青睞。

一般采用C纖維、Ti纖維、B纖維、Al₂O₃短纖維、SiC晶須、C顆粒、SiC顆粒、A1₂O₃顆粒、B₄C顆粒、Si₃N₄顆粒、WC顆粒、Mo₂C顆粒、ZrO₂顆粒、ZrB₂顆粒、碳納米管和石墨等增強相來復合得到金屬基復合材料。其中碳納米管因其優異的力學性能，被廣泛地用于復合材料的增強體。碳納米管具有很高的軸向強度和剛度，當碳納米管在基體中呈定向排列時，沿其排布方向的力學性能要遠高于其他方向，表現出明顯的各向異性。

文獻“公開號是CN102070877A的中國發明專利”公開了一種有序排列碳納米管/環氧樹脂復合材料及其制備方法。該方法所用碳納米管為至少負載有鐵、鈷、鎳和四氧化三鐵納米粒子其中一種的碳納米管，先用機械攪拌和超聲波方法將1～15質量份的上述碳納米管借助溶劑分散在100質量份的環氧樹脂中，加熱除掉溶劑后再加入10～50質量份的胺類固化劑并進一步混合均勻，真空除泡后將混合物澆注到置于強度為0.15～1.0特斯拉的磁場中的模具中，在室溫下固化0.5～1h后，將模具從磁場中取出，最后在室溫～120℃繼續固化4～24h。

現有技術中，定向碳納米管增強的復合材料制備方法主要有應力誘導取向、電場誘導取向和磁場誘導取向等，而此方面的制備技術多集中于聚合物基復合材料。而對于定向碳納米管增強金屬基復合材料的制備技術由于其制備難度較高，國內外鮮見報道。這主要是因為納米增強體巨大的表面所產生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強的團聚作用而使顆粒尺寸變大。如何將這些納米增強體均勻分散于金屬基體中，并使之有序排列而保持納米尺寸的單個體以充分發揮其納米效應是制備高性能金屬基復合材料必須解決的首要問題。

發明內容

為了克服現有定向碳納米管增強金屬基復合材料制備裝置難以制備定向碳納米管增強金屬基復合材料的不足，本發明提供一種定向碳納米管增強金屬基復合材料制備裝置。該裝置在坩堝的底部設置電磁攪拌器，在坩堝口置有超聲振幅桿，坩堝通過安裝有減壓閥的輸氣管與氣壓罐連通，并通過輸液管與凹模桶連通，通過安裝有閥門的排氣管進行排氣，坩堝與凹模桶外分別放置第一電阻爐和第二電阻爐進行加熱，在凹模桶外的第二電阻爐外放置線圈，利用凸模和上墊塊密封凹模桶上部，利用成形模和下墊塊進行密封凹模桶下部。本發明利用電磁場和超聲波耦合實現碳納米管在金屬液中的均勻分散，然后通過磁場誘導和應力誘導的耦合作用，可以實現一次成形高性能的定向碳納米管增強金屬基復合材料。

本發明還提供利用這種定向碳納米管增強金屬基復合材料制備裝置制備定向碳納米管增強金屬基復合材料的方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種定向碳納米管增強金屬基復合材料制備裝置，其特點是：包括減壓閥1、第一電阻爐2、氣壓罐3、坩堝4、電磁攪拌器5、輸液管6、超聲振幅桿7、輸氣管9、凸模10、上墊塊11、第二電阻爐12、排氣管13、閥門14、線圈15、凹模桶16、成形模17和下墊塊18。坩堝4的底部設有電磁攪拌器5，在坩堝口8置有超聲振幅桿7，坩堝4通過安裝有減壓閥1的輸氣管9與氣壓罐3連通，并通過輸液管6與凹模桶16連通，通過安裝有閥門14的排氣管13進行排氣，坩堝4與凹模桶16外分別放置第一電阻爐2和第二電阻爐12進行加熱，在凹模桶16外的第二電阻爐12外放置線圈15，凸模10和上墊塊11用來密封凹模桶16上部，成形模17和下墊塊18用來密封凹模桶16下部。

一種利用上述定向碳納米管增強金屬基復合材料制備裝置制備定向碳納米管增強金屬基復合材料的方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、將金屬原料和碳納米管用鋁箔包裹裝入坩堝4中，降下凸模10壓緊上墊塊11，打開減壓閥1和閥門14，將坩堝4與氣壓罐3連通，由輸氣管9通入保護氣體，保護氣體流經輸液管6，最后由排氣管13排出；

步驟二、打開第一電阻爐2，將坩堝4內金屬原料融化，打開第二電阻爐12，預熱凹模桶16和成形模17；