一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，采用粉末冶金的方法，将金属粉体置于CNP上可以制备出耐磨碳纳米纸-金属复合材料，包括以下步骤：(1)压制：在模具铺上碳纳米纸，并在任意一面或两面均匀铺一层金属粉，并在200MPa-1000MPa下进行冷压成型；(2)烧结：将压制好的材料在惰性气体环境下采用间断式加热烧结，先让温度升至300℃-400℃保温，再将温度升到500℃-1200℃保温，再进行自然降温；(3)复压：烧结好的材料在200MPa-1000MPa下进行复压；(4)复烧结：复压后的材料在惰性气体环境下500-700℃进行再次烧结，并保温烧结4h，制成不发生团聚，质量轻、成本低且性能良好的耐磨碳纳米纸-金属复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法
本专利技术属于耐磨材料利用
，具体涉及一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法。
技术介绍
随着现代科学技术的飞速发展，特别是航天航空、汽械(内燃机活塞连杆、刹车盘、轴承)等一些制动系统的迅速发展，人们对耐磨、低膨胀系数高导电导热材料的要求越来越高。中国专利CN102555351A采用液、液复合铸造方法制备了一种高抗磨双金属复合材料，但金属及其合金摩擦系数大，而且金属及其合金制备要求高。为减小金属及合金的摩擦系数，中国专利CN101898239A介绍了一种复合耐磨材料陶瓷颗粒增强体的制备方法，增强体是由WC陶瓷颗粒在真空高温环境中烧结而成，但该工艺方法存在碳化钨价格昂贵、陶瓷颗粒只适合碳化钨等缺陷；为此国外专利US3933482A采用了一些价格便宜且含量相对丰富的掺杂体(铬、硼、钛)对合金基进行掺杂制备出具有耐磨性能的复合材料；王德宏等用机械合金化工艺制备Cu-Cr合金粉末，并在其中加入一定量的SiC增强材料，但其制备工艺复杂不适宜批量生产。之后有人采用粉末冶金将石墨与铜合成复合材料以减小摩擦系数、膨胀系数等，虽然这既能减小金属摩擦系数又能使生产批量化，但石墨的力学性能等比起当今热门的其他碳材料并不算高，其复合材料的磨损性也不是很好。为了改善增强材料的力学等物理性能，进而采用碳纳米管(CNTs)作为增强体，采用粉末冶金等方法制备CNTs-金属基复合材料，但随着CNTs含量的增加，CNTs会发生团簇现象，而导致复合材料性能降低，并且CNTs-金属基复合材料的质量相对更重。为改善CNTs在金属中的团聚问题，采用预先分散好的CNTs与金属盐溶液混合干燥烧结还原制备出CNTs增强金属复合材料；或采用电化学共沉积方法制备出了电导、热导率、力学强度比纯金属(Cu、Ni等)高且膨胀系数比金属小的CNTs增强金属基复合材料。虽然这两种方法解决了CNTs的团簇问题，也能改善金属复合材料的力学、热学、电学等性能，但是，由于金属复合材料在人们的生产生活中占主导地位需商业化生产，而此两种方法不适宜大量生产，因此，以下我们将引入新型的碳纳米纸用传统粉末冶金的技术来解决CNTs团聚、不宜商业生产、物理性能不好等问题。碳纳米纸(CNP)作为一种新型材料，分散性优越，也具备优异的力学、电学性能，又可作为一种衬底。CNP是由碳纳米材料(如碳纳米管CNTs、碳纤维CNFs)制备成的纳米多孔结构的纸状材质，质量轻，具有优异的导电、导热特性，并且成纳米疏松多孔结构，其碳纳米纸外貌及SEM图如图1、图2所示。CNTs是由一个或更多个同心石墨圆柱体及两端分别由一个富勒烯帽组成；其力学、电学、热学性能强。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种不会发生团聚、质轻、制作成本低的耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法。本专利技术的技术方案如下：(1)压制：压制前用酒精清洗模具，以保证模具不污染样品，让其干燥方才使用。将碳纳米纸及铜粉放入已清洗干燥好的模具中，碳纳米纸任意一面或两面均匀铺一层金属粉,其厚度为4-10mm，并在200MPa-1000MPa下压制2-20min进行冷压成型；本专利技术的CNP-金属压片，是直接在模具中铺一层金属粉，在其上平铺一层CNP衬底，衬底上铺金属粉(或直接在模具中铺一层金属粉，在其上平铺一层CNP衬底)，金属粉为Cu、Cr、Al任意一种金属粉或两种以上以一定比例混合的金属粉，其平均粒径为50nm-5μm，CNP-金属压片的厚度为4mm-11mm；利用粉末冶金的压片机进行压制成型，静压一段时间，能使成型的样品牢靠很多。优选的，压制前，由于金属粉放于模具中可能导致其在模具中分布不均，为防止CNP放于金属粉之上而发生倾斜，可在放CNP之前用小压力将金属粉压成片，再将CNP置于其上，而CNP之上的金属粉也可如此操作。(2)烧结：将压制好的材料在惰性气体环境下采用间断式加热烧结，先让温度升至300℃-400℃保温1-2h，再将温度升到500℃-1200℃保温1-3h，再进行自然降温至20℃以下；本专利技术的CNP-金属压片烧结，通过管式退火炉进行烧结，同时利用惰性气体作为周围环境，保证CNP和金属不被氧化；烧结温度采用间断式加热，先让温度升至300℃-400℃，让其一温度保温一段时间，优选为2h，以便使CNP中的聚合物分解或排除其中的空气，使其复合材料更致密；保温一段时间后再将温度升到500℃-1200℃，使金属粉体与碳纳米纸发生塑性流动，以便使二者更好的融合，让其保温一段时间，优选为1h，再进行自然降温。(3)复压：烧结好的材料在200MPa-1000MPa下复压5-10min；本专利技术的CNP-金属压片烧结后的复压，一般使用200MPa-1000MPa进行压制，是使在500℃-1200℃中烧结CNP中的聚合物分解或排除其中的空气后的空隙尽量减小，让样品更加均匀致密。(4)复烧结：本专利技术的复压好的样品再次烧结，并在惰性气体氛围下进行，烧结温度不用比之前烧结的高，采用500-700℃进行再次烧结，并保温烧结2-4h，保证复压后样品的致密性，制成所述耐磨碳纳米纸-金属复合材料。表1碳纤维合成碳纳米纸性能参数本专利技术采用粉末冶金的方法，将金属粉体置于CNP上可以制备出耐磨碳纳米纸-金属复合材料，该复合材料不发生团聚，质量轻、成本低且耐磨性能良好。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明：图1是用碳纤维合成的碳纳米纸的SEM图；图2是用碳纳米管合成的碳纳米纸的SEM图；图3是本专利技术制备方法的工艺流程示意图一；图4是本专利技术制备方法的工艺流程示意图二；其中，图3-4中，a.金属颗粒；b.碳纳米纸；c.压制后CNP中有少量金属颗粒；d.金属颗粒合成的金属片；e.烧结后CNP中有更多量的金属颗粒。具体实施方式下面将结合本专利技术中的实施例和附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1选择平均粒径为1.172μm的Cu粉，以碳纳米纤维制备成的碳纳米纸(购于昆明纳太能源有限公司)为基底，将碳纳米纸裁剪成直径12mm的小圆片，并用酒精清洗干燥好备用，采用用酒精清洗过干燥好的直径12mm的模具，分别在模具里放入Cu粉、碳纳米纸(CNP)、Cu粉，采用610.8MPa将其压制成高5.635mm的小圆柱，压制完后让其保持静压2min；将静压好的Cu-CNP-Cu放入管式退火炉并在N2条件下烧制，先用1.5h将温度从20℃升至350℃，在350℃时保温2h，再用1h升至750℃，在此时再保温1h，之后让其自然降温冷却至室温；将压制烧结过的样品放入压片机模具进行复压5min，样品复压压力610.8MPa；随后并在N2氛围下从20℃升至600℃，并保温4h。其与纯铜相比，耐磨性提高了5.08％。实施例2选择平均粒径为1.172μm的Cu粉，以碳纳米管制备成的碳纳米纸(购于昆明纳太能源有限公司)为基底，将碳纳米纸裁剪成直径12mm的小圆片，并用酒精清洗干燥好备用，采用用酒精清洗过干燥好的直径12mm的模具，分别在模具里放入Cu粉、碳纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐磨碳纳米纸‑金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)压制：在模具铺上碳纳米纸，并在碳纳米纸任意一面或两面均匀铺一层4‑6mm厚金属粉，并在200MPa‑1000MPa下压制2‑20min进行冷压成型；(2)烧结：将压制好的材料在惰性气体环境下采用间断式加热烧结，先让温度升至300℃‑400℃保温1‑2h，再将温度升到500℃‑1200℃保温1‑3h，再进行自然降温至20℃以下；(3)复压：烧结好的材料在200MPa‑1000MPa下复压5‑10min；(4)复烧结：复压后的材料在惰性气体环境下500‑700℃进行再次烧结，并保温烧结2‑4h，制成所述耐磨碳纳米纸‑金属复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)压制：在模具里铺上碳纳米纸，并在碳纳米纸任意一面或两面均匀铺一层4-6mm厚的金属粉，并在200MPa-1000MPa下压制2-20min进行冷压成型；(2)烧结：将压制好的材料在惰性气体环境下采用间断式加热烧结，先让温度升至300℃-400℃保温1-2h，再将温度升到500℃-1200℃保温1-3h，再进行自然降温至20℃以下；(3)复压：烧结好的材料在200MPa-1000MPa下复压5-10min；(4)复烧结：复压后的材料在惰性气体环境下500-700℃进行再次烧结，并保温烧结2-4h，制成所述耐磨碳纳米纸-金属复合材料；所述金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘铸，郭晓娇，周小卫，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南;53