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简易的碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其先将碳纳米管进行酸化预处理2~4h；随后将碳纳米管分散于乙醇和丙酮组成的混合有机溶液中，并加入硝酸铝进行超声处理，得到均匀分散的CNTs电镀液；之后以铝箔为电镀阴极，不锈钢片为电镀阳极，进行电泳沉积，再将电泳沉积得到的铝箔叠层，经SPS烧结后进行室温轧制，得到所述碳纳米管增强铝基复合材料。本发明专利技术工艺制备的碳纳米管增强铝基复合材料不仅有高的拉伸强度，还在保持较好延伸率的同时提升了加工硬化率和均匀变形能力，且其操作简单，成本低，具有良好的可推广性。

Preparation method of carbon nanotube reinforced aluminum matrix composites

The present invention provides a simple preparation method of carbon nanotubes reinforced aluminum matrix composites, in which carbon nanotubes are acidified for 2 to 4 hours, then carbon nanotubes are dispersed in a mixed organic solution composed of ethanol and acetone, and aluminum nitrate is added for ultrasonic treatment to obtain uniformly dispersed CNTs electroplating solution. Aluminum foil is electroplated cathode, stainless steel sheet is electroplated anode, electrophoretic deposition is carried out, and then the electrophoretic deposited aluminum foil is laminated, sintered by SPS and rolled at room temperature to obtain the carbon nanotube reinforced aluminum matrix composite. The carbon nanotube reinforced aluminum matrix composite prepared by the process of the invention not only has high tensile strength, but also improves work hardening rate and uniform deformation ability while maintaining good elongation, and has the advantages of simple operation, low cost and good generalization.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法
本专利技术属于材料
，具体涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法。
技术介绍
现代工业发展迅速，对结构材料的性能要求也越来越高。纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），熔点低（660℃），为面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工。纯铝的抗腐蚀性能好，但强度低，退火状态σb值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。铝基复合材料具有比强度、比模量高，抗疲劳强度高，耐磨性能好和密度低的特点。同时，铝基复合材料具有合金选择范围广、可热处理、制备工艺灵活多样等许多优点，能代替铝合金、钛合金、钢等材料制造高性能轻型构件，并可提高材料的性能、使用寿命和仪器精度，在航空航天、汽车制造、电子电气等领域应用前景广阔，也是近年来国内外新材料研究的热点之一。然而，铝基复合材料的塑性低、加工成型性差，难以单独使用。自1991年日本科学家Iijima发现碳纳米管（CNTs）以来，其就因独特的结构和性能引起了广泛的关注。碳纳米管具有独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及螺旋结构，从而具有大量特殊的优异性能，如高强度、高弹性、高比表面积、耐热、耐腐蚀、极好的导热和导电性等，在很多领域都有巨大的应用前景。碳纳米管的密度仅为钢铁的1/6，同时它具有良好的耐蚀性和高温抗氧化能力，又有良好的结构稳定性和韧性，因此，碳纳米管被认为是一种良好的增强相，被大量应用在复合材料的研究设计之中。但是，作为一种纳米物质，碳纳米管极易团聚，这大大削弱其增强效果；同时，碳纳米管在复合材料中又是一种陶瓷相，和铝基体的界面结合也存在一些困难。外加法是通过有机溶剂超声分散或者机械球磨来改善碳纳米管在基体中分散性。但这种工艺会对碳纳米管的结构产生严重破坏，使碳纳米管很难保证其结构稳定性，使得碳纳米管大多以破碎的形式分散在基体中，削弱了其增强效果，也使复合材料的力学性能受到较大的影响。原位生长法是先进行催化剂负载，再通过气态或固态碳源进行碳沉积获得碳纳米管的方法。该工艺的不足之处在于浸渍过程要求基体比表面积较大，且催化剂容易团聚失活。此外，由于铝颗粒表面较为光滑，采用空气热压法对铝粉进行预处理，如果不经塑性变形，则碳纳米管不易嵌入其中。与此同时，这种方法未能在碳纳米管嵌入铝颗粒表面时就将液体烘干，很容易导致碳纳米管重新团聚，削弱复合材料的力学性能。因此，如何在保持碳纳米管结构完整的前提下，减少或避免碳纳米管的团聚，并提高碳纳米管与铝基体之间的界面结合程度，是目前制备高性能的碳纳米管增强铝基复合材料需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，该方法使用电泳沉积的工艺，以明显改善碳纳米管在基体上的分散程度，再通过SPS烧结与轧制，提高了碳纳米管与基体之间的界面结合程度，从而制备出强度高、韧性（塑性）高的碳纳米管增强铝基复合材料，并且该方法简单，操作容易。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：1）碳纳米管的预处理：将0.3g~0.5g碳纳米管于浓硝酸与浓硫酸按体积比1:2~3组成的混合酸液中酸化处理2~4h，以除去不定型碳，然后抽滤，烘干，除去可溶性杂质；2）电镀液的配制：将步骤1）处理后的碳纳米管溶于400~600mL乙醇与丙酮按体积比1:0.8~1.2组成的混合有机溶液中，加入0.06~0.1gAl(NO3)3，超声处理4~8h，得到均匀稳定的CNTs电镀液；3）电泳沉积：将铝箔裁剪成大小为40×40mm2的小方片，用丙酮洗净表面油污后作为电镀阴极，以不锈钢片为电镀阳极，在步骤2）配制好的CNTs电镀液中，以Al(NO3)3为电解质进行电镀，两电极间距控制在4cm～6cm，电镀电压为20~45V，时间为10s~90s，从而在铝箔表面沉积碳纳米管；4）SPS烧结（放电等离子烧结）：将100~300片步骤3）电泳沉积后的铝箔叠层封装后，在500℃~600℃、50~90MPa下进行低温高压SPS烧结，使碳纳米管与铝基体结合的同时抑制碳纳米管与铝基体的进一步界面反应；5）轧制：将步骤4）烧结后的材料放入7015铝合金包套中密封，采用室温轧制，以防止轧制过程中铝箔氧化影响层间结合同时抑制碳纳米管与基体进一步反应；第一道变形量为45%～60%，每道次间退火10~15min，共叠轧5~10道次，总变形量80%~200%，从而改善铝基体与碳纳米管层间结合，制得碳纳米管增强铝基复合材料。图1为电泳沉积后CNTs/Al复合材料的SEM图。由图1可见，CNTs在Al箔表面分布均匀，基本无缠结团聚。图2为制备的CNTs/Al复合材料的组织结构图。由图2可见，将单层CNTs/Al箔叠层堆垛后进行SPS快速烧结与室温叠轧，初步制备出微纳米层状CNTs/Al复合材料，其由CNTs层和Al层交替排列构成。图3为制备的CNTs/Al复合材料基体界面结合的TEM图。由图中可见，微纳米层状CNTs/Al复合材料内CNTs与Al基体界面结合良好，未发生明显化学反应。图4为制备的CNTs/Al复合材料的样品图（a）、纯Al层状材料与CNTs/Al复合材料的室温拉伸性能对比图（b）及CNTs/Al复合材料的拉伸断口宏观形貌图（c）。由图4可以看出，断口没有明显的层间开裂现象，其界面结合良好；并且，这种碳纳米管铝基复合材料拉伸性能比纯铝箔有明显的提升的同时，塑性（韧性）也有所提升。相比现有技术，本专利技术具有如下优点：（1）本专利技术中酸化处理时间较短，可在减少碳纳米管破坏的同时避免杂质和不定型碳的引入；在均匀分散的碳纳米管电镀液中进行电泳沉积，可使碳纳米管在基体上均匀弥散分布，解决了碳纳米管团聚的问题，以保持良好的烧结活性；采用低温高压SPS烧结并在室温下进行轧制，在使碳纳米管与基体形成良好界面结合的同时，避免了碳纳米管与铝基体的反应。（2）本专利技术在发挥碳纳米管自身优异性能增强铝基体的同时，利用加工硬化、细晶强化等作用提高了铝基复合材料的抗拉强度和材料的塑性（韧性），使得加工后的复合材料可以用于各个领域。（3）本专利技术提供的工艺可以有效提升铝基材料的强度和塑性（韧性），且其工艺流程简单，操作难度小，设备要求低，成本较低，具有良好的可推广性。附图说明图1为电泳沉积后CNTs/Al复合材料的SEM图。图2为实施例1制备的CNTs/Al复合材料的组织结构图，其中（b）为（a）的局部放大图。图3为实施例1制备的CNTs/Al复合材料基体界面结合的TEM图。图4为制备的CNTs/Al复合材料的样品图（a）、纯Al层状材料与CNTs/Al复合材料的室温拉伸性能对比图（b）及CNTs/Al复合材料的拉伸断口宏观形貌图（c）。图5为实施例1（a）和实施例2（b）电泳沉积后CNTs/Al复合材料的SEM图。图6为首道次不同轧制变形量所得复合材料的断口SEM图，其中a）为低倍镜下45%变形量；b）为高倍镜下45%变形量；c）为低倍镜下60%变形量；d）为高倍镜下45%变形量。具体实施方式为了使本专利技术所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本专利技术所述的技术方案做进一步的说明，但是本专利技术不仅限于此。实施例11）将浓硝酸与浓硫酸按体积比1:3组成混合酸液，将0.4g碳纳米管于混合酸液中本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：包括以下步骤：1）碳纳米管的预处理：将0.3g~0.5g碳纳米管于混合酸液中酸化处理2~4h，然后抽滤，烘干；2）电镀液的配制：将步骤1）处理后的碳纳米管溶于400~600mL混合有机溶液中，加入0.06~0.1g Al(NO3)3，超声处理4~8h，得到均匀稳定的CNTs电镀液；3）电泳沉积：将铝箔裁剪成大小为40×40mm2的小方片，用丙酮洗净表面油污后作为电镀阴极，以不锈钢片为电镀阳极，在步骤2）配制好的CNTs电镀液中进行电镀，从而在铝箔表面沉积碳纳米管；4）SPS烧结：将100~300片步骤3）电泳沉积后的铝箔叠层封装后，在500℃~600℃、50～90MPa下进行低温高压SPS烧结；5）轧制：将步骤4）烧结后的材料放入7015铝合金包套中密封，室温轧制，制得碳纳米管增强铝基复合材料。

【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：包括以下步骤：1）碳纳米管的预处理：将0.3g~0.5g碳纳米管于混合酸液中酸化处理2~4h，然后抽滤，烘干；2）电镀液的配制：将步骤1）处理后的碳纳米管溶于400~600mL混合有机溶液中，加入0.06~0.1gAl(NO3)3，超声处理4~8h，得到均匀稳定的CNTs电镀液；3）电泳沉积：将铝箔裁剪成大小为40×40mm2的小方片，用丙酮洗净表面油污后作为电镀阴极，以不锈钢片为电镀阳极，在步骤2）配制好的CNTs电镀液中进行电镀，从而在铝箔表面沉积碳纳米管；4）SPS烧结：将100~300片步骤3）电泳沉积后的铝箔叠层封装后，在500℃~600℃、50～90MPa下进行低温高压SPS烧结；5）轧制：将步骤4）烧结后的材料放入...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊锋，梁思琰，姜严婕，任魏巍，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35