[發明專利]一種碳納米管增強鋁基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201610928860.0
• 申請日: 2016-10-31
• 公開（公告）號: CN106544537B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 何曉磊;何天兵;唐鵬鈞;李沛勇;陳軍洲
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C21/00;C22C26/00
• 代理公司: 中國航空專利中心11008
• 代理人: 陳宏林

技術領域

本發明提供了一種碳納米管增強鋁基復合材料的制備方法，屬于金屬基復合材料技術領域。

背景技術

鋁基復合材料具有高的比強度、比模量、良好的導電導熱和高溫性能，已經在航空航天、汽車和微電子等領域獲得應用并引起越來越多的關注。碳納米管具有獨特的結構和優異的物理、化學性能(其楊氏模量可達1-1.8TPa，抗拉強度可達150GPa，密度可達1.2～1.8g/cm³，熱膨脹系數幾乎為零，同時還具有良好的韌性和塑性變形能力)，其綜合性能遠優于目前存在的顆粒或纖維，是復合材料的一種理想增強體。然而，碳管比表面積大、表面能高，它們之間常以范德華力吸附在一起(相互接觸的碳納米管之間的范德瓦爾斯結合能約為500eV/μm)形成團聚體；此外，碳管表面惰性大，缺少活性基團，在各種溶劑中的溶解度都很低，這就對其在基體中的分散以及它們與金屬間的界面結合帶來很大困難。

為了使碳管在基體中均勻分布以及獲得高性能的鋁基復合材料，各國研究者在過去的十幾年中采用了有機溶劑和超聲分散、高能球磨、原位合成、分子尺度混合、熔體浸滲等方法，這些制備技術都在一定程度上取得了成功。不過CNTs/Al復合材料的性能與理論相比，依然存在巨大差異，其潛力遠未發揮出來。目前，用于鋁基復合材料制備的碳納米管大多采用CVD法制備，與石墨電弧法和激光蒸發法相比，該法具有產量大、成本低等優勢，但由此生產的碳管往往相互卷曲、纏繞在一起，這顯然給分散過程帶來了更大的障礙。將碳納米管在基體中均勻分散大多會涉及到碳管長度變短(無論是預先將碳管短化后再加入基體，或是在與基體混合的過程中切短)，高能球磨以其操作簡單、能夠批量處理成為了目前廣泛使用的方法之一。顯然，短化會引起碳管管端開口增多，結構完整性降低，此外，球磨過程中的強烈碰撞也會對管壁結構造成損傷。從理論上講，碳納米管可看作是由石墨基面卷曲而成，其反應活性很低(表面自由能僅為0.15J/m²)，但由于各種缺陷的產生，其與鋁合金基體在高溫下將發生化學反應生成碳化物(Al₄C₃)。碳與包括Al在內的大多數金屬難以自發潤濕，雖然研究表明，在一定程度上的界面反應能夠提高潤濕性，增加界面結合強度，但大量反應物的產生無疑削弱了增強體的強化作用，因此降低復合材料中增強體的損傷程度，精確調控復合材料界面結構同樣是一個非常重要的問題。

發明內容

本發明針對上述現有技術存在的問題，提供了一種碳納米管增強鋁基復合材料的制備方法，其目的是實現碳納米管在鋁合金基體中的均勻分散、降低增強體損傷程度，形成微觀組織均勻、界面結合良好的高性能鋁基復合材料。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

該種碳納米管增強鋁基復合材料的制備過程是：將平均粒徑為10～120μm的鋁合金粉末與碳納米管裝入攪拌式球磨機中，通入液氮(或液氬)進行低溫球磨。球磨過程中，碳納米管、金屬粉末和磨球全部浸沒在液氮內；球磨結束后，將粉末漿料收集于不銹鋼容器內并靜置。待液氮揮發后，將干燥的粉末裝入鋁包套，經除氣、熱等靜壓制成鋁基復合材料坯料，將坯料進行熱擠壓、熱軋或鍛造制成棒材、型材、板材或鍛件，最后進行熱處理。其中：

所述碳納米管的直徑為10～80nm，長度為2～50μm，占復合粉末質量的0.1～5％；

球磨的工藝參數為：球磨轉速為80～500r/min，球磨時間為0.5～10h，球料質量比為1:5～50，磨球材質為鋼或陶瓷，直徑為3～15mm；

除氣的工藝參數為：使用電阻爐和真空機組對裝入復合粉末的鋁包套進行加熱和抽真空，先在室溫下抽至真空度小于1×10^-1Pa，然后開始加熱，并保持抽真空，當溫度到達300℃時，保溫2～5h，最后加熱至440～500℃，并抽至真空度小于2×10^-3Pa，然后將除氣口封焊；

熱等靜壓的工藝參數為：對包套中的混合粉末進行固結成型的熱等靜壓溫度為400～500℃，壓力為100～130MPa，時間為2～5h。

鋁包套由純鋁或鋁合金制得，帶有除氣口。鋁基復合材料坯料是通過機加工車除鋁合金包套后得到。

本發明技術方案與現有的高能球磨法制備碳納米管增強鋁基復合材料相比，具有以下優點：

(1)球磨時間短，且碳管分散更加均勻