一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，该方法首先采用低温球磨获得碳管均匀分散的复合粉末，然后经过装包套、除气和热等静压将粉末固结制得复合坯料，再经挤压、锻压等常规热加工方法形成棒材、型材或锻件产品，最后进行热处理。该方法能够使碳纳米管在铝合金基体中获得良好的分散性、其增强体损伤程度小，形成的复合材料微观组织均匀、界面结合良好。该材料同时具有高的强度和塑性，有望应用于航空航天、汽车等对轻质高强结构材料有强烈需求的领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供了一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料

技术介绍
铝基复合材料具有高的比强度、比模量、良好的导电导热和高温性能，已经在航空航天、汽车和微电子等领域获得应用并引起越来越多的关注。碳纳米管具有独特的结构和优异的物理、化学性能(其杨氏模量可达1-1.8TPa，抗拉强度可达150GPa，密度可达1.2～1.8g/cm3，热膨胀系数几乎为零，同时还具有良好的韧性和塑性变形能力)，其综合性能远优于目前存在的颗粒或纤维，是复合材料的一种理想增强体。然而，碳管比表面积大、表面能高，它们之间常以范德华力吸附在一起(相互接触的碳纳米管之间的范德瓦尔斯结合能约为500eV/μm)形成团聚体；此外，碳管表面惰性大，缺少活性基团，在各种溶剂中的溶解度都很低，这就对其在基体中的分散以及它们与金属间的界面结合带来很大困难。为了使碳管在基体中均匀分布以及获得高性能的铝基复合材料，各国研究者在过去的十几年中采用了有机溶剂和超声分散、高能球磨、原位合成、分子尺度混合、熔体浸渗等方法，这些制备技术都在一定程度上取得了成功。不过CNTs/Al复合材料的性能与理论相比，依然存在巨大差异，其潜力远未发挥出来。目前，用于铝基复合材料制备的碳纳米管大多采用CVD法制备，与石墨电弧法和激光蒸发法相比，该法具有产量大、成本低等优势，但由此生产的碳管往往相互卷曲、缠绕在一起，这显然给分散过程带来了更大的障碍。将碳纳米管在基体中均匀分散大多会涉及到碳管长度变短(无论是预先将碳管短化后再加入基体，或是在与基体混合的过程中切短)，高能球磨以其操作简单、能够批量处理成为了目前广泛使用的方法之一。显然，短化会引起碳管管端开口增多，结构完整性降低，此外，球磨过程中的强烈碰撞也会对管壁结构造成损伤。从理论上讲，碳纳米管可看作是由石墨基面卷曲而成，其反应活性很低(表面自由能仅为0.15J/m2)，但由于各种缺陷的产生，其与铝合金基体在高温下将发生化学反应生成碳化物(Al4C3)。碳与包括Al在内的大多数金属难以自发润湿，虽然研究表明，在一定程度上的界面反应能够提高润湿性，增加界面结合强度，但大量反应物的产生无疑削弱了增强体的强化作用，因此降低复合材料中增强体的损伤程度，精确调控复合材料界面结构同样是一个非常重要的问题。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术存在的问题，提供了一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其目的是实现碳纳米管在铝合金基体中的均匀分散、降低增强体损伤程度，形成微观组织均匀、界面结合良好的高性能铝基复合材料。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：该种碳纳米管增强铝基复合材料的制备过程是：将平均粒径为10～120μm的铝合金粉末与碳纳米管装入搅拌式球磨机中，通入液氮(或液氩)进行低温球磨。球磨过程中，碳纳米管、金属粉末和磨球全部浸没在液氮内；球磨结束后，将粉末浆料收集于不锈钢容器内并静置。待液氮挥发后，将干燥的粉末装入铝包套，经除气、热等静压制成铝基复合材料坯料，将坯料进行热挤压、热轧或锻造制成棒材、型材、板材或锻件，最后进行热处理。其中：所述碳纳米管的直径为10～80nm，长度为2～50μm，占复合粉末质量的0.1～5％；球磨的工艺参数为：球磨转速为80～500r/min，球磨时间为0.5～10h，球料质量比为1:5～50，磨球材质为钢或陶瓷，直径为3～15mm；除气的工艺参数为：使用电阻炉和真空机组对装入复合粉末的铝包套进行加热和抽真空，先在室温下抽至真空度小于1×10-1Pa，然后开始加热，并保持抽真空，当温度到达300℃时，保温2～5h，最后加热至440～500℃，并抽至真空度小于2×10-3Pa，然后将除气口封焊；热等静压的工艺参数为：对包套中的混合粉末进行固结成型的热等静压温度为400～500℃，压力为100～130MPa，时间为2～5h。铝包套由纯铝或铝合金制得，带有除气口。铝基复合材料坯料是通过机加工车除铝合金包套后得到。本专利技术技术方案与现有的高能球磨法制备碳纳米管增强铝基复合材料相比，具有以下优点：(1)球磨时间短，且碳管分散更加均匀本专利技术在液氮中进行球磨，低温下碳管的柔性降低，在剪切力作用下更易发生断裂，从而碳管快速短化，缠绕体被解开；另一方面，强烈的机械搅拌以及液氮沸腾使碳管和铝合金粉末反复混合，因此增强体在基体中的均匀分布得以快速实现(约几个小时)，而传统球磨一般在15-48h。此外，低温下，金属粉末冷焊减弱，易于朝着片状化方向发展，增大了与碳纳米管的接触面积，也使得分散性进一步提高。(2)粉末纯净度高，过程污染小本专利技术中的球磨在惰性低温介质中进行，基本不与空气接触，因此粉末氧化的可能性很小。与传统球磨相比，也不需要添加抑制冷焊合的过程控制剂(如硬脂酸等)，进一步减少了外来添加物的污染。(3)复合材料中碳管结构完整，与基体界面结合良好由于低温球磨的处理时间短，同时属于湿法球磨，混合过程相对柔和，从而减少了碰撞引起的管壁缺陷。在采用热等静压和挤压进行固结成型时，没有大尺寸的脆性碳化物产生，使碳管作为增强体的强化作用得以保持；但同时，在原碳管缺陷处生成的纳米尺度Al4C3提高了润湿性，增加了界面结合强度。附图说明图1为实施例中搅拌式球磨机的示意图图2(a)和(b)为实施例中复合材料的透射电镜照片图3为实施例中复合材料的拉曼散射图谱具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步详述：实施例采用2009铝合金粉末，其成分为3.0wt.％Cu、1.5wt.％Mg、Al余量，平均粒径为30μm；多壁碳纳米管的名义直径为40～60nm，长度为5～15μm。将1kg的铝合金粉末和多壁碳纳米管的混合粉末及40Kg磨球装入搅拌式球磨机中，磨球材质为ZrO2，多壁碳纳米管占混合粉末质量的1.0％，磨球直径分别为3mm、5mm、8mm，对应的质量比为2:1:1，附图1为搅拌式球磨机示意图。向球磨罐中通入液氮，当磨球和混合粉末全部浸入液氮中后，开始球磨，其转速为180r/min，球磨时间为2h。球磨过程中注意观察液氮量，使其始终能够淹没磨球和混合粉末，否则，先暂停球磨并补充液氮。球磨结束后，将粉末浆料收集于不锈钢容器内，静置3h，待液氮挥发后，得到干燥的复合粉末。将干燥的复合粉末装入Ф80×180mm的铝包套中，在室温下将包套抽至真空度小于1×10-1Pa，然后开始加热，并保持抽真空，当温度到达300℃时，保温2h，接着加热至480℃,除气至真空度小于2×10-3Pa，最后密封。将包套进行热等静压，温度为465℃，压力为120MPa，时间3h。通过机加工去除铝包套，得到碳纳米管增强铝基复合材料坯料。在1000t卧室挤压机上将坯料热挤压成棒材，挤压温度为460℃，挤压速率2mm/s，挤压比为18：1，挤压棒材直径为Ф15mm。将挤压棒材在498℃下固溶处理4h，接着淬入室温水中，最后进行自然时效。表1给出了本专利技术制备的高性能碳纳米管增强铝基复合材料的室温拉伸性能，与基体铝合金相比，抗拉和屈服强度显著提高(分别提高25％和24％)，而仍具有良好的塑性(延伸率为10.2％)，与已有报道相比(Liu等,2012)，本专利技术中无论是抗拉强度、屈服强度还是延伸率都显著高于后者。图2为复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：将平均粒径为10～120μm的铝合金粉末与碳纳米管装入搅拌式球磨机中，通入液氮或液氩进行低温球磨，球磨后的粉末浆料经干燥后装入铝包套，经除气、热等静压制成铝基复合材料坯料，将坯料进行热挤压、热轧或锻造制成棒材、型材、板材或锻件，最后进行热处理，中：所述碳纳米管的直径为10～80nm，长度为2～50μm，占复合粉末质量的0.1～5％；球磨的工艺参数为：球磨转速为80～500r/min，球磨时间为0.5～10h，球料质量比为1:5～50，磨球材质为钢或陶瓷，直径为3～15mm；除气的工艺参数为：使用电阻炉和真空机组对装入复合粉末的铝包套进行加热和抽真空，先在室温下抽至真空度小于1×10‑1Pa，然后开始加热，并保持抽真空，当温度到达300℃时，保温2～5h，最后加热至440～500℃，并抽至真空度小于2×10‑3Pa；热等静压的工艺参数为：对包套中的混合粉末进行固结成型的热等静压温度为400～500℃，压力为100～130MPa，时间为2～5h。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：将平均粒径为10～120μm的铝合金粉末与碳纳米管装入搅拌式球磨机中，通入液氮或液氩进行低温球磨，球磨后的粉末浆料经干燥后装入铝包套，经除气、热等静压制成铝基复合材料坯料，将坯料进行热挤压、热轧或锻造制成棒材、型材、板材或锻件，最后进行热处理，中：所述碳纳米管的直径为10～80nm，长度为2～50μm，占复合粉末质量的0.1～5％；球磨的工艺参数为：球磨转速为80～500r/min，球磨时间为0.5～10h，球料质量比为1:5～50，磨球材质为钢或陶瓷，直径为3...

【专利技术属性】
技术研发人员：何晓磊，何天兵，唐鹏钧，李沛勇，陈军洲，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11