[發明專利]在鋁粉表面原位催化氣態碳源制備碳納米管/鋁復合材料的方法

有效

• 申請號: 201611088685.5
• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN106555071B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 趙乃勤;劉興海;李家俊;劉恩佐;何春年;師春生;李群英
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;C22C21/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明涉及到一種利用粉末冶金原位合成碳納米管/鋁復合材料的方法，屬于粉末冶金技術領域。

背景技術

鋁及其合金是地殼中含量最高的金屬類物質，是工業應用中僅次于鋼鐵的第二大類金屬材料。鋁的密度低，只有2.7g/cm³、導電導熱性能好、阻尼減震性能好，廣泛的應用在汽車輪轂、航空航天支構架、機械電子及某些民用領域。但是，純鋁的強度較低，在某些高強度要求的領域未能達到預期效果。同時，在后期的加工過程中，鋁材還需保持一定的變形能力。因此，如何提高鋁材的強度并保持一定的塑韌性成為當前研究的焦點。近幾十年來，多數研究人員都是在鋁基體中添加不同種類的合金元素經過熔煉鑄造的工藝制備各種型材。然而，這些合金元素在添加過程中含量的調控并不精確，部分元素難以添加且成本昂貴。此外，合金元素的添加導致材料后期性能分析方面存在很多問題。近十幾年來，人們又嘗試在金屬基體中添加某些增強相來提高復合材料的性能。但是，這些傳統的方法總以犧牲原始材料某些性能為基礎，而通過原位氣相沉積的方法制備成的鋁基復合材料能夠最大程度的克服這一缺點。根據復合材料設計法則(δ_c＝(1-f)δ_m+fδ_p)，增強相的加入在實現強化效果的同時，還可以避免基體材料的不足之處，從而獲得輕質高強的鋁材。

碳納米管自上世紀九十年代被發現以來，受到業內人士的廣泛關注并展開大量研究，現在已經初具規模。近十幾年來，以碳納米管為增強體制備的碳納米管增強鋁基復合材料的研究逐年增加并迅速發展。目前為止，大多數研究集中在外加法制備碳納米管增強鋁基復合材料上，通過粉末冶金、機械球磨、分子水平混合、鑄造熔煉等工藝制備塊體復合材料。但是，以上方法難免會造成碳納米管結構的破壞，同時也難以保證碳納米管在基體材料中的均勻分散。所以，這也是目前研究的瓶頸所在。綜上，如何解決碳納米管在基體中的均勻分散以促進碳納米管與基體良好的界面結合且保持自身結構的完整成為當前制備碳納米管增強鋁基復合材料的焦點所在。

目前為止，多數研究人員利用添加碳納米管到鋁基體中的方法制備了碳納米管增強鋁基復合材料。本發明采用立式爐原位生長碳納米管外加粉末冶金的方法，先在鋁粉表面上均勻的生長碳納米管，后經過冷壓成型及熱擠壓的工藝，制備出致密度高、碳納米管均勻分散且力學性能優良的鋁基復合材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種簡便的粉末冶金原位合成碳納米管/鋁復合材料的方法。該方法能夠有效克服傳統外加碳納米管增強鋁基復合材料增強相分布不均勻的缺點，這種方法過程相對簡單，所制得的復合材料力學性能較好。為實現上述目的，本發明通過以下技術方案加以實施：

一種在鋁粉表面原位催化氣態碳源制備碳納米管/鋁復合材料的方法，包括下列步驟：

(1)制備前驅體粉末

以六水合硝酸鎳為催化劑、無水乙醇為分散劑、純鋁粉為金屬原料，按照催化劑：金屬粉末：無水乙醇＝1g：15g：(50-100)ml的配比，將催化劑和金屬粉末注入無水乙醇中配制成均勻分散的混合溶液；隨后將溶液在水浴鍋中加熱攪拌至乙醇蒸干得到前驅體粉末粉末；

(2)原位合成碳納米管/鋁復合材料

將步驟(1)制得的前驅體粉末置于立式爐中原位合成碳納米管/鋁復合材料：通入碳源氣體為甲烷，還原氣體為氫氣，保護氣為氬氣；燒結溫度為500～630℃，還原時間為0.5～1.5h；氣體碳源在催化劑作用下生長出碳管，得到原位生長的碳納米管增強鋁基復合粉末；

(3)制備碳納米管/鋁塊體復合材料

將步驟(2)中獲得的復合粉末經過機械球磨工藝后冷壓燒結后熱擠壓成型制備塊體材料。

優選地，步驟1)水浴加熱溫度為90℃，攪拌時間為3小時。步驟2)氣體流量控制范圍為氬氣100～300ml/min；氫氣50～200ml/min；甲烷20～50ml/min；步驟3)在球磨過程中，參數為200～500轉/分，球磨0.5～8h；在冷壓成型和熱擠壓過程中，冷壓壓力為400～500MPa，保壓時間為3～5min；熱擠壓過程中，溫度為400～550℃，壓力為500～600MPa。

本發明具有以下優點：首先直接采用原位生長的方法，使氣體碳源甲烷在鋁粉表面實現均勻的生長。其次，采用該方法工藝簡單，成本低廉，制備出的碳納米管增強鋁基復合材料，其綜合力學性能優于傳統外加法添加碳納米管的方法。

附圖說明

圖1a為實施例1中還原后生成碳納米管的掃描照片。