一种碳纳米管金属基复合材料的界面设计和制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纳米管增强金属基复合材料的界面设计和制备方法，所述的界面设计采用纳米粒子对碳纳米管表面缺陷处进行局部修饰，阻碍缺陷处发生界面反应，通过碳纳米管表面结构完整处与金属基体之间适度的界面反应得到良好的界面结合。所述方法：碳纳米管表面局部活化处理及分散液制备；将碳纳米管分散液与纳米溶胶混合，搅拌均匀，超声处理，过滤干燥，获得纳米粒子局部修饰的碳纳米管；将修饰的碳纳米管均匀分散到金属基体之中，再经致密化获得复合材料。本发明专利技术在碳纳米管表面形成不连续的、局部改性物薄膜，所引入的纳米修饰粒子体积含量低、不团聚，不会影响复合材料的致密化，但能有效调控界面反应，使碳纳米管充分发挥增强潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属基复合材料
，具体地，涉及一种碳纳米管增强金属基复 合材料的界面设计和制备方法。
技术介绍
复合化是金属材料实现高性能化和功能化的有效途径之一。碳纳米管（CNT)作为 一维管状纳米材料，重量轻，具有极其优异的力学与导热导电性能，是金属基复合材料理想 的轻质高强性能增强体。因此，将CNT与铝、铜、镁、钛等金属及合金复合，有望获得新一代 轻质高强且兼具功能特性的金属基复合材料，在航天、交通、电子和军事领域具有广阔的应 用前景。 然而迄今为止，碳纳米管在金属基复合材料中所体现的增强效果与理论预期仍差 距较大，其中最重要的原因就在于碳纳米管与金属基体之间存在着界面反应调控难题，难 以充分发挥碳纳米管的强化作用。一方面，碳纳米管与铜、镁等金属之间完全不发生化学反 应，界面相容性差，界面结合强度低；另一方面，碳纳米管与铝、钛等金属之间易于发生化学 反应，很多时候甚至将碳纳米管消耗殆尽全部生成A14C3、TiC等碳化物。以上两种情况，即 完全不发生界面反应或多度的界面反应，都将损害碳纳米管的增强效益：弱界面结合无法 有效传递载荷，而过度界面反应使得碳纳米管损伤加剧，易于断裂失效。因此，如何在少消 耗/损伤碳纳米管的前提下，调控界面反应获得理想的界面结合强度，成为碳纳米管金属 基复合材料进一步发展的关键问题。 研宄表明，现有的复合制备过程不可避免地会在碳纳米管的表面和端部引入大 量缺陷，而缺陷处是碳纳米管/金属界面反应优先发生的地方。因此，对碳纳米管表面 的缺陷进行修饰是改善界面结合、调控界面反应最为有效的途径。对现有的文献检索发 现，对碳纳米管进行表面涂层处理是达成以上目标的主要技术手段。文献1"Aluminum matrixcompositesreinforcedbymolybdenum-coatedcarbonnanotubes'，（锻钥碳 纳米管增强错基复合材料）（InternationalJournalofMinerals，Metallurgy,and Materials, 2011，18(6) :695-702.)采用金属有机气相沉积在碳纳米管表面均匀涂覆 一层连续的厚度为20-30nm的金属钼，并使用放电等离子烧结制备了镀钼碳纳米管铝 基复合材料。由于过量镀层的引入，导致复合材料的致密度降低，最终的相对密度只有 95%。此外，该工艺所使用金属有机物是剧毒物质，易造成环境污染。文献2"Coating ofcarbonnanotubeswithtungstenbyphysicalvapordeposition"（物理气相沉 积在碳纳米管表面锻鹤）（Solidstatecommunications, 2000, 115(1) :51_55.)米用物 理气相沉积在碳纳米管表面沉积一层连续的厚度为10_20nm的金属钨。该工艺所使用 的物理气相沉积装置复杂，且连续膜的引入导致碳纳米管与金属基体不能直接接触，不 利于碳纳米管增强效益的发挥。文献3"Coatingcarbonnanotubeswithironoxide usingmethanol-thermalreaction"（醇热法在碳纳米管表面锻氧化铁）（Materials Letters, 2007, 61 (3) :697-700.)采用醇热法在碳纳米管表面引入了针状的氧化铁，包裹碳 纳米管，但其局部出现大量的团聚，不利于致密化过程以及增强体效益的发挥。 可见，上述方法都倾向于将表面涂层调控成连续膜分布，而没有对碳纳米管表面 涂层的形态和含量进行调控，由此缺乏对界面结构的精细设计和有效调控，带来以下不足 之处： (1)由于碳纳米管的比表面积大，当形成连续膜时，所引入改性物的体积含量远远 超过碳纳米管自身，改变了复合材料体系的成分； (2)改性物呈连续膜分布会完全阻隔碳纳米管与金属基体的直接接触，严重时还 会产生改性物团聚，影响碳纳米管和金属基体的结合，导致复合材料的致密度降低，碳纳米 管的增强效益得不到有效发挥； (3)上述方法对环境不友好，同时工艺复杂，难以控制。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供了一种碳纳米管金属基复合材料的界面设计 和制备方法，仅引入少量纳米粒子对碳纳米管表面缺陷进行局部修饰，不会影响复合材料 的致密化，但能有效调控界面反应，使碳纳米管能充分发挥其增强潜力。 为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案： 一种碳纳米管金属基复合材料的界面设计方法，该方法抛弃现有对碳纳米管表面 缺陷进行修饰时将表面涂层调控成连续膜分布的思路，而是巧妙地采用纳米粒子对碳纳米 管表面缺陷处进行局部修饰，阻碍缺陷处发生界面反应，而通过碳纳米管表面结构完整处 与金属基体之间适度的界面反应得到良好的界面结合。 本专利技术在碳纳米管表面缺陷处形成不连续的、局部改性物薄膜，阻碍该处发生界 面反应，而使碳纳米管表面的结构完整处与金属基体直接接触，通过工艺调控使该处发生 适度的界面反应得到良好的界面结合。 本专利技术所述的界面设计引入的纳米粒子含量很低，如表1所示，与一般连续膜改 性相比，本专利技术的界面设计引入的纳米粒子含量低10倍以上。因此，不会影响碳纳米管金 属基复合材料的界面结合和致密化；纳米粒子修饰碳纳米管的表面缺陷，能有效阻止碳纳 米管和金属基体之间的界面反应，得到的碳纳米管金属基复合材料性能优异。 优选的，所述的纳米粒子为金属氧化物或金属络合物或二氧化硅，比如不与碳纳 米管发生反应且与碳纳米管的扩散系数小的金属氧化物。选择金属氧化物或络合物（经高 温处理后也会转化成金属氧化物）一方面是因为能够保证其与基体的相容性，另外一方面 由于碳纳米管在金属氧化物中的扩散系数很小，且一般不易发生反应，因此，能够有效阻碍 界面反应的发生。 优选的，所述的纳米粒子的粒径为l_50nm，更好的，所述的纳米粒子的粒径为 l-10nm。纳米粒子的粒径越小越容易吸附在碳纳米管表面缺陷处，同时引入的含量也越低， 粒径过大容易导致纳米粒子自身团聚产生沉降，起不到修饰作用。优选的，所述碳纳米管直径为5-100nm，更好的，所述的碳纳米管的直径为 10-50nm。碳纳米管的直径过大不利于其分散，直径过小表面活化处理对其结构和性能会造 成很大的损伤，因此选择直径10_50nm的碳纳米管。 根据本专利技术第二方面，提供一种碳纳米管金属基复合材料的制备方法，该方法在 上述界面设计的基础上，包括如下步骤： 步骤一，碳纳米管表面局部活化处理，制备碳纳米管分散液或者采用事先制备好 的碳纳米管分散液； 步骤二，制备改性物纳米溶胶或者采用事先制备好的改性物纳米溶胶，并将碳纳 米管分散液与纳米溶胶混合，搅拌均匀，再进行超声处理，过滤干燥，获得纳米粒子局部修 饰的碳纳米管； 步骤三，将纳米粒子局部修饰的碳纳米管均匀分散到金属基体之中，再经致密化 获得碳纳米管金属基复合材料。 优选的，所述的金属基体为铝及其合金。 优选的，所述复合材料中的碳纳米管的质量分数为0. 5~10%，更好的，所述的碳 纳米管的质量分数为1~5%。 优选的，所述的制备方法通过酸液对碳纳米管表面进行活化处理，使得碳纳米管 表面缺陷成为活性点。优选的，所述搅拌均匀，可以采用机械搅拌。 优选的，所述改性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管金属基复合材料的界面设计方法，其特征在于：采用纳米粒子对碳纳米管表面缺陷处进行局部修饰，阻碍缺陷处发生界面反应，而通过碳纳米管表面结构完整处与金属基体之间适度的界面反应得到良好的界面结合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李志强，鄢来朋，谭占秋，范根莲，熊定邦，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31