[發明專利]一種制備碳納米管強化輕質鋁基合金的方法

有效

• 申請號: 202110648187.6
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113444906B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 陳旭;沈曉宇;劉燁;章林;秦明禮;曲選輝
• 申請（專利權）人: 湘潭大學;北京科技大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C21/00;C22C21/02;C22C21/06;B22F3/115
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 朱艷華

本發明屬于先進金屬材料制備研究領域，特別提供了一種制備碳納米管強化輕質鋁基合金的方法，該方法包括如下步驟，先對多壁碳納米管的表面進行改性，再將改性后的多壁碳納米管與鋁粉混合，攪拌均勻后壓制成含碳納米管的預合金塊；將得到含碳納米管的預合金塊加入到輕質鋁基合金熔體中，分散均勻后，采用噴射成形法，得到碳納米管強化輕質鋁基合金。本發明的有益效果是：該方法利用在熔體中添加碳納米管進行分散降低碳納米管分散過程中需要的能量，提升制備效率并降低雜質引入；同時利用噴射成形過程的快速冷卻降低碳納米管在凝固后期的團聚，最終得到的輕質鋁基合金坯體中雜質含量少，碳納米管分布均勻，且元素少偏析甚至無偏析。

技術領域

本發明屬于先進金屬材料制備研究領域，特別提供了一種制備碳納米管強化輕質鋁基合金的方法。

背景技術

輕質鋁基合金是基于高熵合金的輕量化而設計開發的一種新型輕質合金，它具有傳統輕質合金所無法比擬的高比強度和比硬度等突出特點，在航空航天領域顯示出了巨大的應用潛力。隨著我國航天事業的飛速發展，對空間抗輻射材料的研究具有日益重要的意義。研究表明，Al₁₅Li₃₅Mg₃₅Ca₁₀Si₅輕質鋁基合金的密度僅為1.44g/cm³，屈服強度為418MPa，塑性應變為5％，表現出了良好的力學性能。然而，晶態合金材料在太空環境服役時，需要長期經受各種粒子、射線輻照，特別是中子輻照時產生結構和性能的變化，導致其結構不穩定、性能逐漸下降，進而影響其服役壽命。

碳納米管(Carbon?Nanotubes,CNTs)以其超強的力學性能和優異的理化性能，成為極端條件下使用輕質鋁基合金的理想增強相。碳納米管是由石墨片卷曲而成的中空無縫管狀納米結構，其管徑一般為幾到幾十納米，長度約為幾到幾百微米，具有管徑小、長徑比大等結構特點，使其具有許多優異的性能。理論計算和實驗結果都表明CNTs具有極高的剛度、強度和極大的韌性，實驗測得其平均楊氏模量約為1.8TPa，抗拉強度可達150GPa，約為高強鋼的100倍。由于CNTs的中空結構，故在承受外載荷時可以通過體積彈性變化吸收能量，而不會呈現脆性行為、彈性變形和鍵斷裂，故在完全分散的情況下僅需添加0.1vol％的碳納米管就能達到良好的強化效果。同時，CNTs可以充當類似于林位錯的微結構來強化基體，有效緩解高溫強化效果降低的問題，有助于合金高溫強度的提升。此外，CNTs可以通過碳原子重排等方式吸收來輻照離子的能量以降低輻照產生的空位的過飽和度，促進輻照產生的點缺陷的復合，并大幅度減輕/抑制輻照引起的材料腫脹及脆化效應。CNTs還能夠充當納米煙囪，使輻照缺陷進入碳納米管內部，從而逸散出輻照損傷區域，提升合金的抗粒子輻照性能。綜上所述，碳納米管是應對極端條件下航天用合金材料的理想強化相。

獲得高性能碳納米管強化輕質鋁基合金的關鍵，在于使用合適的制備方法使碳納米管均勻分散到輕質鋁基合金基體之中。目前能夠大批量制備碳納米管強化輕質鋁基合金的方法有粉末高能球磨法和熔鑄法。粉末高能球磨法是將碳納米管與合金粉末進行高能球磨，依靠高速旋轉過程中球磨介質對原料施加的能量將碳納米管分散，并在原料粉末破碎和冷焊的過程中進入粉末內部，達到均勻分散的目的。高能球磨法制備碳納米管強化合金晶粒細小且偏析較少，能有效提高材料的強度。然而高能球磨不僅費時費能，還在碳納米管添加較多時不僅無法保證其分散的均勻性。更加嚴重的是，在長時間的球磨過程中容易引入雜質，反而對材料的力學性能產生不利的影響。熔鑄法一般是將表面改性后的碳納米管加入合金熔體中，再使用機械攪拌或超聲波使碳納米管在熔體中分散，最后澆注得到碳納米管強化合金錠。與高能球磨相比，熔體添加法可以有效的減少制備過程中雜質的引入。但是，熔體法制備的碳納米管強化合金無可避免的存在各種偏析，影響最終材料的性能。同時，凝固后期熔體粘度的上升不可避免會降低機械攪拌和超聲波的分散效果，在此階段碳納米管有重新團聚的風險，降低碳納米管的分散效果。

發明內容

本發明公開了一種制備碳納米管強化輕質鋁基合金的方法，以解決現有技術的上述以及其他潛在問題中任一問題。