金屬基碳納米管增強復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬基碳納米管增強復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管(CNTs)自從發(fā)現(xiàn)以來，就以特殊的力學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)性能，使其在納米電子、精密機械、醫(yī)療器件等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。碳納米管的抗拉強度可達50?200GP，是鋼的100多倍，密度僅為1.35g/cm3，彈性模量高達lTPa，約為鋼的5倍，被認為是最具前景的陶瓷、聚合物以及金屬基復(fù)合材料的理想增強體。碳納米管與大部分金屬材料都不浸潤，因此常規(guī)液相法制備金屬基碳納米管復(fù)合材料受到了限制。而粉末冶金法對碳納米管與金屬基體的浸潤性不敏感，更適合于制備金屬基碳納米管復(fù)合材料。但碳納米管之間存在著較強的范德華力，使自身的團聚現(xiàn)象嚴重，碳納米管常以團聚形式存在基體中，很難發(fā)揮其增強體的作用。因此，碳納米管的有效分散已成為制備優(yōu)良復(fù)合材料亟待解決的問題。
[0003]目前主要采用原位生成法、攪拌鑄造法、化學(xué)鍍法、無壓滲透法等方法制備金屬基復(fù)合材料，如“碳納米管金屬基復(fù)合材料及其制備方法”(公開號CN 1804099A)的發(fā)明，采用酸洗后的碳納米管加入表面活性劑，之后鍍鎳、球磨、超聲分散后擠壓成預(yù)制塊。在“碳納米管增強金屬基復(fù)合材料及其原位制備方法”(公開號CN 102002652A)的技術(shù)中，通過金屬粉末表面包覆碳源物質(zhì)和催化劑前驅(qū)物，后通過催化熱解反應(yīng)使金屬表面原位生成碳納米管，最后致密化處理得到原位生成的碳納米管增強金屬基材料。
[0004]以上工藝對碳納米管在金屬表面的分散和碳納米管與金屬基體界面結(jié)合的問題展開了有效地研究，但其制備過程中也存在諸如引入強酸強堿等不利于環(huán)境友好，反應(yīng)溫度過高，原位生成碳納米管形態(tài)難以控制且效率較低和不利于工業(yè)化生產(chǎn)等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬基碳納米管增強復(fù)合材料的制備方法。該技術(shù)通過克服上述方法的缺陷，通過一系列工藝流程，使碳納米管與金屬顆粒分散均勻。該方法具有制備工藝簡單、對環(huán)境友好、具有規(guī)?；瘧?yīng)用潛力等特點，適用于有輕質(zhì)高強材料需求的航空航天和汽車制造等領(lǐng)域。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，其步驟為:(1)金屬顆粒與碳納米管的混合；
(2)金屬顆粒與碳納米管混合漿料的球磨；(3)金屬顆粒與碳納米管混合漿料的干燥；(4)金屬顆粒與碳納米管干燥粉末的球磨；(5)金屬基碳納米管增強復(fù)合粉末的擠壓成形。具體如下:
[0007](1)金屬顆粒與碳納米管的混合
[0008]將一定質(zhì)量的碳納米管與金屬顆粒放入異丙醇中，異丙醇與碳納米管的質(zhì)量比為(50?1000): 1。金屬顆粒與碳納米管的質(zhì)量比為(5?500): 1。將盛有上述混合液的容器置于溫水浴中超聲處理，同時對容器中的混合物進行機械攪拌，得到碳納米管與金屬顆粒的混合漿料。
[0009]所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管，且碳納米管的純度優(yōu)選大于99.0wt.%。
[0010]所述的金屬顆粒粒徑為100?400目，金屬顆粒優(yōu)選純鎂、鎂合金、純鋁、鋁合金、純銅或銅合金顆粒中的一種。
[0011]所述的純鋁中鋁元素含量大于99.0wt.% ;所述的純鎂中鎂元素含量大于99.0wt.% ;所述的純銅中銅元素含量大于99.0wt.%。
[0012]所述的鋁合金為Al-Mg、Al-Mn、Al_Cu、Al-Zn系鋁合金；所述的鎂合金為Mg_Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE系鎂合金；所述的銅合金為Cu_Al、Cu_Sn、Cu_Zn、Cu-Ni系銅合金。
[0013]所述的水溫控制在30?70°C，超聲處理時間為30?90min，超聲處理功率為200?2000W ;機械攪拌時間為10?60min，機械攪拌轉(zhuǎn)速為100?3000rpm。
[0014](2)金屬顆粒與碳納米管混合漿料的球磨
[0015]將步驟(1)中得到的碳納米管與金屬顆粒的混合漿料放入球磨機進行球磨，得到球磨后的金屬顆粒與碳納米管混合漿料。
[0016]所述的球磨為濕法球磨，球磨時間為10?90min，球磨機轉(zhuǎn)速為100?300r/min，球與漿料質(zhì)量比為(1?4):1。
[0017](3)金屬顆粒與碳納米管混合漿料的干燥
[0018]將步驟(2)中得到的球磨后的金屬顆粒與碳納米管混合漿料放入真空干燥箱中，以設(shè)定的溫度，時間和真空度下進行烘干，得到金屬顆粒與碳納米管混合的干燥粉末。
[0019]所述的烘干溫度為40?60 °C，真空度為-0.09?-0.1MPa，真空干燥時間為2?10ho
[0020](4)金屬顆粒與碳納米管混合粉末的球磨
[0021]將步驟(3)中得到金屬顆粒與碳納米管混合的干燥粉末放入球磨機中，以設(shè)定的時間和轉(zhuǎn)速下球磨，得到金屬基碳納米管增強復(fù)合粉末。
[0022]所述的球磨為干法球磨，球磨時間為1?24h，球磨機轉(zhuǎn)速為100?1000r/min，球料比為(5?10):1。
[0023](5)金屬基碳納米管增強復(fù)合粉末的擠壓成形
[0024]將步驟(4)中得到的金屬基碳納米管增強復(fù)合粉末，放入擠壓模具中，以設(shè)定的溫度，擠壓比擠壓成形，即得到金屬基碳納米管增強復(fù)合材料。
[0025]所述的擠壓溫度為150?350°C，擠壓比為10?25。
[0026]本發(fā)明所述制備方法，機械攪拌和超聲分散是同步進行的，在碳納米管分散在有機溶劑的過程中，金屬顆粒同時與碳納米管混合。兩種分散手段同步進行，不僅減少工藝周期，而且二者可相互促進，為碳納米管均勻分散到金屬顆粒表面創(chuàng)造了有利條件。再通過兩次球磨，達到碳納米管在金屬顆粒表面均勻分布的目的，從而得到分散性良好的金屬基碳納米管增強復(fù)合材料。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的工藝方法具有如下優(yōu)點:碳納米管與金屬基體界面結(jié)合良好。調(diào)整碳納米管用量，可調(diào)整復(fù)合材料中碳納米管的含量。整個制備工藝簡單高效，制備周期短，能耗低，利于規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明所述的制備方法流程圖。
[0029]圖2為實施例2中經(jīng)過球磨后的鎂基碳納米管增強復(fù)合粉末的掃描電鏡形貌。
[0030]圖3為實施例2中鎂基碳納米管增強復(fù)合材料的透射電鏡形貌。
[0031]圖4為實施例5中經(jīng)過球磨后的鎂合金碳納米管增強復(fù)合粉末的掃描電鏡形貌。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
[0033]實施例1
[0034]本實施方式的鋁基碳納米管復(fù)合材料的制備工藝按以下步驟進行:
[0035](1)將lg碳納米管與300g純鋁顆粒(成分為99.0wt.%，粒徑為400目)加入到盛有1000g異丙醇的燒杯中，使鋁粉在溶液中完全浸沒后，將燒杯置于溫水浴中超聲分散并用增力電動攪拌器進行機械攪拌。水溫為60°c，超聲分散時間為80min，超聲功率為500W ;機械攪拌時間為60min，攪拌轉(zhuǎn)速為lOOrpm，獲得碳納米管和純鋁粉的混合漿料；
[0036](2)將步驟(1)中得到的碳納米管和純鋁粉混合漿料放入行星式高能球磨機中進行球磨，球磨時間為20min，轉(zhuǎn)速為100r/min，球與楽料質(zhì)量比為1: 1，制得混合均勾的碳納米管和純鋁粉球磨漿料；
[0037](3)取步驟(2)中制得的混合均勻的碳納米管和純鋁粉球磨漿料，放入燒杯中在電熱真空干燥箱中進行真空干燥。干燥溫度為50°C，干燥時間為10h，真空度為-0.094MPa，得到純鋁粉與碳納米管混合均勻的干燥粉末；
[0038](4)將步驟(3)中得到的純鋁粉與碳納米管混合均勻的干燥粉末放入行星式高能球磨機中進行球磨，球磨時間為1.5h，轉(zhuǎn)速為200r/min，球與料比為8:1，獲得招基碳納米管增強復(fù)合粉末；
[0039](5)將步驟(4)中得到的鋁基碳納米管增強復(fù)合粉末放入到硬質(zhì)合金模具中，并置于100噸四柱液壓機中擠壓，擠壓溫度為190°C，擠壓比為16，擠壓后可得到鋁基碳納米管增強復(fù)合材料。
[0040]實施例2
[0041]本實施方式的鎂基碳納米管復(fù)合材料的制備工藝按以下步驟進行:
[0042](1)將4g碳納米管與96g純鎂顆粒(成分為99.7wt.%，粒徑為300目)加入到盛有1000g異丙醇的燒杯中，使鎂粉在溶液中完全浸沒后，將燒杯置于溫水浴中超聲分散并用增力電動攪拌器進行機械攪拌。水溫為50°c，超聲分散時間為60min，超聲功率為200W ;機械攪拌時間為30min，攪拌轉(zhuǎn)速為300rpm，獲得碳納米管和純鎂粉的混合楽料；
[0043](2)將步驟(1)中得到的碳納米管和純鎂粉混合漿料放入行星式高能球磨機中進行球磨，球磨時間為30min，轉(zhuǎn)速為100r/min，球與楽料質(zhì)量比為1: 1，制得混合均勾的碳納米管和純鎂粉球磨漿料；
[0044](3)取步驟(2)中制得的混合均勻的碳納米管和純鎂粉球磨漿料，放入燒杯中在電熱真空干燥箱中進行真空干燥。干燥溫度為50°C，干燥時間為3h，真空度為-0.09MPa，得到純鎂粉與碳納米管混合均勻的干燥粉末；
[0045](4)將步驟(3)中得到的純鎂粉與碳納米管混合均勻的干燥粉末放入行星式高能球磨機中進行球磨，球磨時間為2h，轉(zhuǎn)速為100r/min，球與料比為5:1，獲得鎂基碳納米管復(fù)合增強粉末；
[0046](5)將步驟(4