一种高强韧碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种具有分级结构的高强韧碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法。该方法制备的碳纳米管增强铝基复合材料因引入了细小的韧性区形成分级结构，从而比均质的复合材料表现出更优异的强韧性。本发明专利技术通过高能球磨制备均匀分散的碳纳米管增强铝基复合材料粉末，随后向该复合材料粉末中二次添加微米级铝粉末，通过混合得到最终的碳纳米管增强铝基复合材料粉末，并通过后续的致密化及二次加工得到最终的复合材料。本发明专利技术的优点在于：(1)工艺简单、高效，具备规模化生产能力；(2)所制备的分级结构复合材料因具有细小的韧性区，表现出优良的强韧性。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料制备
，具体提供一种具有分级结构的高强韧的碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法。该方法制备的复合材料因引入细小的韧性区，不仅能有效地发挥碳纳米管的强化效果，而且能使复合材料保持良好的韧性。
技术介绍
碳纳米管(CNT)具有极高的力学性能(抗拉强度>10GPa，弹性模量～1GPa)，较大的长径比，被认为是复合材料的理想增强体。向铝合金基体中加入少量碳纳米管即有望制备出高强、高模的铝基复合材料，在航空航天领域有着广阔的应用前景。然而，碳纳米管的加入在使复合材料强度、模量提高的同时，也不可避免的使复合材料的韧性出现恶化。这种韧性恶化的现象主要来源于两方面的原因，一是分散在金属基体中的碳纳米管具有强烈的钉轧晶界的作用，使基体晶粒严重细化，大大降低了其存储位错的能力；二是以往都追求获得均匀分散的碳纳米管分布，但这种分布使得微裂纹扩展的自由程大大减小，严重降低了复合材料抑制微裂纹扩展的能力。目前制备高强韧碳纳米管增强铝基复合材料(CNT/Al)的方法之一是改善界面结合，调整基体成分，但这些手段不能从本质上改善强韧性；其它一些研究者通过构建片状的碳纳米管分布来获得强韧性配合，如上海交通大学[ScriptaMater,2012；66,p331-334]通过片状粉末冶金使碳纳米管呈层片的状态分布于铝基体中，以获得良好的强韧性。但此种方法工艺较复杂，而且引入的氧化物较多，反过来又弱化了其强韧化的效果。对于颗粒增强铝基复合材料，文献中亦有报道通过向复合材料中添加粗大的基体粉末[MaterSciEngA,1999；259,p296-307]或者直接复合高韧性铝合金板[ActaMater,2001；49,p405-417]，从而构建具有无颗粒区域和颗粒富集区域的分级结构，利用无颗粒区域的良好韧性来抑制复合材料的裂纹扩展。但是由于构建出的韧性区尺寸都在几十个微米以上，使得韧性区对脆性区的应力集中无法进行有效松弛，因而对韧性的提高并不明显，而且由于大量低强度韧性区的引入使得复合材料的强度大幅度下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对CNT/Al复合材料现有韧化的不足，提供一种高强韧CNT/Al复合材料的制备方法。本专利技术在现有颗粒增强金属基复合材料韧化研究的基础上，通过在复合材料中构建出具有更加细小的韧性区的分级结构，充分发挥韧性区对应力集中的松弛能力，从而获得高强韧的CNT/Al复合材料，有望应用于要求轻质高强的航空航天领域。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：本专利技术先将CNT和铝合金粉末通过球磨分散，随后向球磨后的复合材料粉末中二次添加铝合金粉末进行混合得到最终的复合材料粉末。对该复合材料粉末进行致密化和二次加工处理得到最终的CNT/Al复合材料。本专利技术工艺简单，制备出的CNT/Al复合材料强韧性优良，且具有规模化应用潜力。本专利技术包括如下步骤：(1)将铝合金粉末与碳纳米管粉末置于球磨机中，在循环水冷却并在保护气氛下高能球磨，获得均匀分散的碳纳米管/铝复合材料粉末；(2)向所得复合材料粉末中二次添加一定含量的微米级粗颗粒铝合金粉末，进行二次混合，得到最终的复合材料粉末；(3)对最终的复合材料粉末进行致密化处理，得到致密的复合材料坯锭；(4)对上述复合材料坯锭进行常规的锻造、挤压或轧制类热二次加工处理，进一步改善微观组织，得到具有分级结构的碳纳米管/铝复合材料。所述的CNT为单壁或多壁碳纳米管，直径小于100nm，长度小于500μm；球磨过程中CNT的名义含量在0.5-6vol.％。所述的球磨用铝合金粉末和二次添加的混合用铝合金粉末，可以是已经合金化的铝合金粉末，也可以是由元素粉末组成的预合金化铝粉末，其名义成分可选自1×××系到8×××系的各类铝合金成分，优选2×××系、5×××系和7×××系铝合金。所述球磨用铝合金粉末应满足平均粒径在5-100μm之间；二次添加的混合用铝合金粉末就满足平均粒径在5-30μm之间，而尤以5-20μm最佳。所述的球磨过程需加入过程控制剂，过程控制剂选自甲醇、乙醇、石油醚、硬脂酸、油酸、液体石蜡等中的一种或多种。所述的球磨过程的球料比为5:1-30:1，转速为300-500rpm，球磨时间为4-8小时。所述的二次添加的混合用铝合金粉末，其占总复合材料体积含量的20-70％。所述的混合过程的球料比为1:1-4:1，转速为50-100rpm，混合时间为1-8小时。所述的致密化处理为冷压或冷等静压，烧结、热压或热等静压。所述的二次加工可以为热锻造、热挤压或热轧制。当采用热锻造时，名义锻造比不低于5:1；采用热挤压时，名义挤压比不低于10:1；当采用热轧制时，名义轧制率不低于60％。与现有的强韧化技术相比，本专利技术的优点在于：1、工艺简单，易于控制，便于批量化生产。2、引入的铝合金韧性区细小，有利于对脆性区进行应力松弛，从而提高复合材料整体的强韧性。附图说明图1高强韧CNT/Al复合材料的制备流程及分级结构示意图。图2引入33wt.％韧性区的分级结构3vol.％CNT/2009Al复合材料的微观组织:(a)分级结构的宏观形貌，(b)韧性区结构，(c)非韧性区结构。图3分级结构与均匀分散的3vol.％CNT/2009Al复合材料的拉伸曲线对比。具体实施方式实施例1将平均尺寸为10μm预合金化的2009Al粉(由Al粉、Mg粉、Cu铜元素粉组成)和含量为4vol.％的多壁CNT加入到搅拌球磨机中，加入2wt.％的硬脂酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水，在400rpm下球磨6小时得到分散均匀的CNT/2009Al复合材料粉末；向该复合材料粉末中加入含量为33wt.％的尺寸约为10μm的2009Al合金粉，放入混料机中在50rpm下运行4小时使其混合均匀，得到最终的复合材料粉末。随后，通过冷压、真空热压得到复合材料坯锭；将坯锭进行挤压比为16:1的热挤压，得到最终的分级结构的3vol.％CNT/2009Al复合材料，其相应的分级结构微观组织见图2，韧性区宽度约为2μm，呈纤维状定向分布，晶粒尺寸约为1μm；非韧性区内CNT定向排列，均匀分散，晶粒细小仅约200nm左右。复合材料T4处理后的屈服强度达到610MPa，抗拉强度725MPa，延伸率约4％。比较例1将平均尺寸为10μm预合金化的2009Al粉(由Al粉、Mg粉、Cu铜元素粉组成)和含量为3vol.％的多壁CNT加入到搅拌球磨机中，加入2wt.％的硬脂酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水，在400rpm下球磨6小时得到分散均匀的CNT/2009Al复合材料粉末。随后，通过冷压、真空热压得到复合材料坯锭；将坯锭进行挤压比为16:1的热挤压，得到最终的分散均匀的3vol.％CNT/2009Al复合材料。复合材料T4处理后的屈服强度达到680MPa，抗拉强度730MPa，但延伸率不到2％。实施例2将平均尺寸为10μm预合金化的5083Al粉(由Al粉、Mg粉元素粉组成)和含量为4.5vol.％的多壁CNT加入到搅拌球磨机中，加入2wt.％的硬脂酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水在400rpm下球磨8小时得到分散均匀的CNT/5083Al复合材料粉末；向该复合材料粉末中加入含量为50wt.％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有分级结构的高强韧碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将铝合金粉末与碳纳米管粉末置于球磨机中，在循环水冷却并在保护气氛下高能球磨，获得均匀分散的碳纳米管/铝复合材料粉末；(2)向所得复合材料粉末中二次添加微米级粗颗粒铝合金粉末，进行二次混合，得到最终的复合材料粉末；(3)对最终的复合材料粉末进行致密化处理，得到致密的复合材料坯锭；(4)对上述复合材料坯锭进行二次加工处理，进一步改善微观组织，得到具有分级结构的碳纳米管/铝复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有分级结构的高强韧碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将铝合金粉末与碳纳米管粉末置于球磨机中，在循环水冷却并在保护气氛下高能球磨，获得均匀分散的碳纳米管/铝复合材料粉末；(2)向所得复合材料粉末中二次添加微米级粗颗粒铝合金粉末，进行二次混合，得到最终的复合材料粉末；(3)对最终的复合材料粉末进行致密化处理，得到致密的复合材料坯锭；(4)对上述复合材料坯锭进行二次加工处理，进一步改善微观组织，得到具有分级结构的碳纳米管/铝复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的球磨用铝合金粉末和二次添加的铝合金粉末，是已经合金化的铝合金粉末或由元素粉末组成的预合金化铝粉末；所述的球磨用铝合金粉末平均粒径在5-100μm之间；所述的二次添加的混合用铝合金粉末平均粒径在5-30μm之间。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的球磨用铝合金粉末和二次添加的混合用铝合金粉末，其名义成分选自1×××系到8×××系的各类铝合金成分，其中优先2×××系、5×××系、7×××系铝合金。4.根据权利要求1所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振宇，马宗义，肖伯律，赵柯，倪丁瑞，王全兆，王东，张星星，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21