以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及仿生复合材料领域，具体为一种以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料及其制备方法。该复合材料由纳米碳材料和金属组成，以体积百分数计，纳米碳材料含量为0.5％～40％，其余为金属；所述的复合材料微观上具有仿生定向结构，表现为纳米碳材料以片层形式在金属基体中定向排列。本发明专利技术通过采用浆料配制、冷冻铸造、真空冷冻干燥、去有机质和致密化处理的工艺流程制备以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料。本发明专利技术的复合材料具有轻质、高强、耐磨等优异性能，同时保留基体金属的电磁屏蔽、导电、导热等功能特性，并且其组织结构和性能可以通过调整制备工艺进行有效控制，因此作为吸波材料、结构材料等具有可观的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料及其制备方法
本专利技术涉及仿生复合材料领域，具体为一种以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料及其制备方法，特别涉及一种具有微观定向结构的以石墨烯、碳纳米管或两者的组合增强的金属基仿生复合材料及其制备方法。
技术介绍
工业发展和社会进步对金属材料的力学性能与功能不断提出越来越高的要求，同时在轻质、节能、环保以及回收再利用等方面对材料的发展提出诸多限制。对金属材料进行优化设计与制备，以实现其优异的强韧匹配、抗疲劳等综合力学性能，同时赋予其一定的功能特性，对于促进金属材料更好地满足实际应用需求具有重要意义。对金属材料的组织结构进行巧妙设计与调控是提升其性能的重要途径。在这方面，作为神奇工程师的大自然能够为新型高性能金属材料的设计提供很多成功的典范。与组成和成分高度复杂化的人造材料相比，自然界中的天然生物材料是由生物体采用简单且性能并不突出的碳酸钙、二氧化硅等无机矿物与胶原蛋白、纤维素等有机质复合而成的，并且与苛刻的人造材料的制备加工条件相比，生物材料的合成往往是在相对温和的自然条件下以自下而上的自组装方式实现的。尽管如此，生物材料往往表现出优异的综合力学性能与功能特性，其力学性能甚至可以和很多经高度优化的人造材料相媲美。生物材料的优异特性主要得益于其经过长期自然选择与进化而形成的复杂而巧妙的多级组织结构。例如，鲍鱼壳珍珠层主要由脆的文石晶型的碳酸钙和微量的弱有机质组成，而矿物微观上以片层形式定向排列，并且矿物之间的界面以有机质填充。这种组织结构带来裂纹偏转与桥连等高效的增韧机制，从而使得珍珠层在保留矿物组分的高强度与高硬度的前提下，其断裂韧性相比于两种组分的简单叠加得到近三个数量级的显著提升。生物材料的独特设计能够为人造材料的性能优化提供重要的启示和指导。通过将自然界中提炼的材料设计理念与原则应用于人造材料体系，从仿生角度利用特定组元对材料进行复合化设计，并在不同尺度对其组织结构进行优化与调控，有望实现不同组元性能优势的结合与匹配，同时引入天然生物材料中常见的界面塑性滑移、裂纹偏转与桥连等高效强韧化机制，从而在不明显增加材料化学组成复杂性的前提下显著提高其性能。然而，天然生物材料的复杂组织结构在金属结构材料中往往更加难以复制，特别是熔炼、轧制等很多传统材料制备加工工艺很难对金属材料的组织结构在多级尺度上进行有效的控制，这严格限制高性能仿生金属结构材料的发展与应用。作为一种由碳原子以sp2杂化方式形成的仅有一个或几个原子层厚度的新型二维纳米材料，石墨烯由于其尺寸小而缺陷少、且层内原子间以强的共价键结合，因此沿片层方向表现出极高的模量和强度以及优异的导电、导热性能，同时石墨烯能够弯曲，具有一定的柔韧性，并且其结构与化学性质都很稳定。作为一种独特的一维纳米材料，碳纳米管是一种主要由呈六边形排列的碳原子构成的数层到数十层的同轴圆管。与石墨烯相似，碳纳米管也具有优异的力学、物理和化学性能。作为性能独特的纳米碳材料，石墨烯和碳纳米管可以用作新型仿生金属基复合材料的理想增强组分以实现材料性能的提升。此外，由于化学组成简单，纳米碳材料在复合材料中的添加并不会使材料的成分显著复杂化，也不会给资源环境造成太大压力，并且在材料的后续回收再利用过程中非常容易通过现有成熟的冶金工艺消除。中国专利(公开号101818280A)公开一种碳纳米管金属基复合材料的制备方法，先利用聚合物溶液对金属粉体进行表面包覆，再使粉体表面从碳纳米管溶液中均匀吸附碳纳米管，最后利用粉末冶金工艺制备碳纳米管金属基复合材料；中国专利(公开号102329976A)公开一种石墨烯增强金属基复合材料的制备方法，先将氧化石墨烯分散在片状金属粉体的表面，然后经还原处理得到石墨烯/金属复合粉体，最后采用粉末冶金工艺进行致密化处理，得到密实的石墨烯增强金属基复合材料；中国专利(授权公告号102719693B)公开一种石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料及其制备方法，采用料浆共混工艺与还原处理制备石墨烯-碳纳米管与金属的复合粉体，进行致密化处理得到复合材料；中国专利(授权公告号106702193B)公开一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，将化学镀镍的石墨烯与铝或铝合金粉体混合球磨后压坯，再利用热挤压得到石墨烯/铝复合材料；中国专利(公开号107841660A)公开一种石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法，在对精炼、保温静置和过滤处理后的铝液进行喷射沉积的过程中加入石墨烯，然后经连续铸锭、轧制和成型收绕制备复合材料。分析现有的以纳米碳材料增强的金属基复合材料及其制备方法可知，纳米碳材料与金属粉体的混合多是通过机械球磨、喷射雾化或者在溶液中进行，该过程很难控制纳米碳材料的取向，导致在制备得到的复合材料中很难实现与生物材料类似的理想的微观定向结构。尽管中国专利(公开号102329976A)中片状金属粉体的使用有利于诱导石墨烯沿粉体表面优先取向分布，从而在复合材料中形成叠层结构，但是该工艺依赖于片状金属粉体的使用以及金属粉体的片化工艺，不仅使复合材料的制备流程复杂化，而且难以推广。同时，复合材料的微观组织结构对其性能起到重要作用，例如：纳米碳材料在三维空间的交错连接能够对复合材料起到更为优异的强韧化效果，但目前所制备的金属基复合材料的微观组织结构难以进行有效调控。此外，以纳米碳材料增强的金属基复合材料亟待拓展到其他金属体系，例如：镍、钴以及以它们为基体的合金等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有微观定向结构的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料，并提供一种能够实现对材料微观组织结构的有效构筑与调控且易于推广的相应复合材料的制备方法，实现纳米碳材料在金属基体中的均匀分布与定向排列，从而通过仿生设计获得优异的硬度、强度、耐磨性等力学性能，同时兼顾材料的电磁屏蔽与导电等功能特性。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术解决方案如下：一种以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料，该复合材料由纳米碳材料和金属组成，以体积百分数计，纳米碳材料含量为0.5％～40％，其余为金属；所述的复合材料微观上具有仿生定向结构，表现为纳米碳材料以片层形式在金属基体中定向排列，其片层间距为2nm～50μm。所述的纳米碳材料为石墨烯、碳纳米管或两者的组合，所述的金属为铝、镍、钴、铁金属单质或以上述金属为基体的合金。所述的金属基体为铝或铝基合金时，复合材料的抗拉强度为150～950MPa，硬度为0.5～2.5GPa；所述的金属基体为镍或镍基合金时，复合材料的硬度为1.1～5.9GPa，2mm厚的复合材料在100MHz～1.5GHz频率范围的电磁屏蔽效能为25～85dB；所述的金属基体为钴或钴基合金时，复合材料的硬度为1.4～6.2GPa；所述的金属基体为铁或铁基合金时，复合材料的硬度为0.9～5.7GPa。所述的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料的制备方法，该方法用于制备具有微观定向结构的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料，实现纳米碳材料以片层形式在金属基体中的均匀分布和定向排列，该方法的具体步骤如下：(A)将纳米碳材料粉体、金属粉体和添加剂均匀分散于水中，制备得到含有纳米碳材料和金属粉体的水基浆料；(B)利用冷冻铸造工艺处理浆料使其中的纳米碳材料和金属粉体沿冰晶生长方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料，其特征在于，该复合材料由纳米碳材料和金属组成，以体积百分数计，纳米碳材料含量为0.5％～40％，其余为金属；所述的复合材料微观上具有仿生定向结构，表现为纳米碳材料以片层形式在金属基体中定向排列，其片层间距为2nm～50μm。

【技术特征摘要】
1.一种以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料，其特征在于，该复合材料由纳米碳材料和金属组成，以体积百分数计，纳米碳材料含量为0.5％～40％，其余为金属；所述的复合材料微观上具有仿生定向结构，表现为纳米碳材料以片层形式在金属基体中定向排列，其片层间距为2nm～50μm。2.根据权利要求1所述的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料，其特征在于，所述的纳米碳材料为石墨烯、碳纳米管或两者的组合，所述的金属为铝、镍、钴、铁金属单质或以上述金属为基体的合金。3.根据权利要求1所述的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料，其特征在于，所述的金属基体为铝或铝基合金时，复合材料的抗拉强度为150～950MPa，硬度为0.5～2.5GPa；所述的金属基体为镍或镍基合金时，复合材料的硬度为1.1～5.9GPa，2mm厚的复合材料在100MHz～1.5GHz频率范围的电磁屏蔽效能为25～85dB；所述的金属基体为钴或钴基合金时，复合材料的硬度为1.4～6.2GPa；所述的金属基体为铁或铁基合金时，复合材料的硬度为0.9～5.7GPa。4.一种权利要求1～3之一所述的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料的制备方法，其特征在于，该方法用于制备具有微观定向结构的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料，实现纳米碳材料以片层形式在金属基体中的均匀分布和定向排列，该方法的具体步骤如下：(A)将纳米碳材料粉体、金属粉体和添加剂均匀分散于水中，制备得到含有纳米碳材料和金属粉体的水基浆料；(B)利用冷冻铸造工艺处理浆料使其中的纳米碳材料和金属粉体沿冰晶生长方向定向排列，对凝固的浆料脱模后进行真空冷冻干燥处理去除其含有的水分，得到具有微观定向的片层结构的多孔坯体；(C)在真空或保护气氛中，采用高温处理去除坯体中含有的有机质，然后对坯体进行致密化处理得到具有微观定向结构的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料。5.根据权利要求4所述的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合材料的制备方法，其特征在于，所述的添加剂包括有机粘结剂和分散剂，该有机粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖或瓜尔胶中的一种或一种以上，有机粘结剂的添加量为去离子水质量的0.5～15％，该分散剂是聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或DarvanCN中的一种或一种以上，分散剂的添加量为金属粉体质量的0～12％。6.根据权利要求4所述的以纳米碳材料增强的金属基仿生复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增乾，张健，谈国旗，张哲峰，
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