一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，该方法包括：一、制备有机活化剂溶液；二、将碳纳米管分散到有机活化剂溶液中得混合溶液；三、调节混合溶液pH后加镍盐溶液和二氧化硫脲反应，得Ni@CNTs复合粉体；四、将Ni@CNTs复合粉体与钛粉或钛合金粉混匀得Ni@CNTs钛基复合粉体；五、采用快速等离子放电烧结法对Ni@CNTs钛基复合粉体加压烧结，依次经轧制和线切割得Ni@CNTs强化钛基复合材料。本发明专利技术使Ni颗粒均匀包覆在碳纳米管的表面进行改性，阻止了TiC的形成，保证了碳材料和钛基体的完整性，增强了强化效果，得到强塑性协同提高的Ni@CNTs/TC4强化钛基复合材料。

Preparation of a New Modified Carbon Nanotubes Reinforced Titanium Matrix Composite

【技术实现步骤摘要】
一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料制备
，具体涉及一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法。
技术介绍
钛及钛合金在航空航天、汽车制造、生物医用等领域具有广泛的运用前景。而在相关领域的应用不仅要求其具有高比强度、高比模量、良好的生物兼容性等性能外，还要求其具备优良的高温性能。新型碳材料(碳纳米管、石墨烯等)由于具有高弹性模量，高抗拉强度及良好的韧性等优异的力学性能和出色的物理化学特性。因此，近年来，碳纳米管(CNTs)被学术界广泛作为纳米强化相来改善金属基复合材料的力学性能和电性能、热性能等物理性能。例如：Li等采用粉末冶金工艺制备出0～0.4wt％CNTs/Ti基复合材料，发现添加0.4wt％CNTs时，钛基复合材料获得最优的力学性能，屈服强度和抗拉强度分别提高40.4％和11.4％。中国专利CN103526136B提出一种三维网络状碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，但是该方法制备流程工艺繁琐复杂，网络结构不可控，大面积制备设备受限，界面反应无法控制，再者无法实现强塑性协同提高。但是，根据Ti-C二元相图，Ti原子与C原子容易在900℃高温以上反应生成稳定的TiC硬质颗粒，严重破坏碳材料和基体的结构完整性，大大减弱CNTs的强化效果。目前已报道的资料均显示CNTs加入到基体钛合金后均有不同程度的TiC颗粒生成。如何发挥CNTs与基体钛合金各自独特的本证特性，协同大幅度改善基体的强塑性，是目前需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法。该方法先对碳纳米管进行改性，使得均匀包覆在碳纳米管表面的Ni颗粒隔绝了钛基中Ti与碳纳米管中C，降低了Ti-C反应界面能，阻止了TiC的形成，从而避免了Ti与C生成的TiC硬质颗粒对碳材料和钛基体结构完整性的破坏，增强了CNTs的强化效果，提高了Ni@CNTs/TC4强化钛基复合材料的塑性，得到强塑性协同提高的Ni@CNTs/TC4强化钛基复合材料。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将3-磺丙基十四烷基二甲基铵分散在乙醇溶液中超声分散30min～60min，得到有机活化剂溶液；所述乙醇溶液的体积浓度为5％～20％；步骤二、将碳纳米管在超声的作用下分散到步骤一中得到的有机活化剂溶液中，得到混合溶液；所述超声的功率小于20kW，时间不超过60min；步骤三、采用氨水将步骤二中得到的混合溶液的pH调节至8～10，然后加入可溶性镍盐溶液搅拌均匀，再加入二氧化硫脲进行反应，经离心洗涤得到Ni@CNTs混合浆料，将Ni@CNTs混合浆料在100℃～300℃的条件下进行低温热处理，得到Ni@CNTs复合粉体；步骤四、将步骤三中得到的Ni@CNTs复合粉体与钛基粉末放置于行星式混粉机中混合均匀，得到Ni@CNTs钛基复合粉体；所述钛基粉末为钛粉或钛合金粉；步骤五、将步骤四中得到的Ni@CNTs钛基复合粉体放入模具中，采用快速等离子放电烧结法进行加压烧结，得到Ni@CNTs强化钛基复合材料坯体，然后依次进行中温和高温多道次轧制，再经线切割，得到Ni@CNTs强化钛基复合材料；所述中温多道次轧制的温度为400℃～600℃，所述高温多道次轧制的温度为800℃～1000℃，所述中温和高温多道次轧制的总变形量为50％～90％，每道次轧制的下压量均为1mm，每道次轧制的保温时间均为10min～30min。本专利技术将碳纳米管(CNTs)分散到有机活化剂溶液中，调节pH后加入可溶性镍盐溶液和二氧化硫脲进行一步化学共还原反应，得到Ni@CNTs混合浆料，经低温热处理得到Ni@CNTs复合粉体，然后将Ni@CNTs复合粉体与钛粉或钛合金粉进行干法混粉，采用快速等离子放电烧结法进行加压烧结，经中温和高温多道次轧制，再经线切割，得到Ni@CNTs/TC4复合材料。本专利技术首先利用3-磺丙基十四烷基二甲基铵乙醇作为活化剂提高CNTs的分散性，进而提高了CNTs与硫酸镍和二氧化硫脲的混合均匀程度，然后经一步化学共还原反应后使Ni颗粒均匀包覆在CNTs的表面，得到Ni@CNTs复合粉体，Ni@CNTs复合粉体与钛粉或钛合金粉混合后进行加压烧结过程中，Ni@CNTs复合粉体中的Ni与钛粉或钛合金粉原位反应生成Ni2Ti，Ni@CNTs复合粉体中的Ni2Ti隔绝了钛粉或钛合金粉中Ti与CNTs中C，降低了Ti-C反应界面能，阻止了TiC的形成，从而避免Ti与C生成的TiC硬质颗粒对碳材料和钛基体结构完整性的破坏，增强了CNTs的强化效果，提高了Ni@CNTs/TC4强化钛基复合材料的塑性，得到强塑性协同提高的Ni@CNTs/TC4强化钛基复合材料；同时，Ni@CNTs复合粉体中的Ni2Ti改善了CNTs与钛粉或钛合金粉末基体的界面润湿性，提高了界面结合强度，进一步提高了Ni@CNTs/TC4强化钛基复合材料的强塑性。上述的一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述氨水的体积浓度为35％，所述二氧化硫脲、可溶性镍盐溶液中可溶性镍盐与碳纳米管的质量比为(0.1～1):(1～15):(2～50)，所述反应的时间为10min～60min。上述的一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述可溶性镍盐溶液为硫酸镍溶液和氯化镍溶液形成的混合镍盐溶液，或者为硫酸镍溶液，所述混合镍盐溶液中硫酸镍溶液与氯化镍溶液的摩尔浓度比为1:2，所述混合镍盐溶液中硫酸镍溶液的浓度为0.1mol/L～1.0mol/L。上述的一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述离心洗涤采用的洗涤液由乙醇和去离子水按2:1的体积比混合而成。采用上述洗涤液可除去多余杂质，获取更好的洗涤效果。上述的一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述Ni@CNTs钛基复合粉体中Ni@CNTs复合粉体的质量不超过10％。优选采用上述质量比例的Ni@CNTs钛基复合粉体，可有效防止Ni@CNTs复合粉体的团聚，使其均匀分散在钛粉或钛合金粉中，得到混合更为均匀的Ni@CNTs钛基复合粉体。上述的一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述混合过程中行星式混粉机的转速为100rmp～300rmp，球料比为(3～5):1，混合时间为1h～5h。采用上述混合工艺参数有利于实现Ni@CNTs复合粉体与钛粉或钛合金粉之间的良好分散与充分混合，得到组分均匀的Ni@CNTs钛基复合粉体，同时使Ni@CNTs复合粉体与钛粉或钛合金粉部分合金化，利于后续烧结。上述的一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述模具为直径60mm的石墨模具。上述的一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述加压烧结的压力为30MPa～45MPa，升温速率为50℃/min～100℃/min，温度为1000℃～1200℃，时间为5min～10min。上述加压烧结的工艺参数有利于Ni@CNTs钛基复合粉体在两相区进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将3‑磺丙基十四烷基二甲基铵分散在乙醇溶液中超声分散30min～60min，得到有机活化剂溶液；所述乙醇溶液的体积浓度为5％～20％；步骤二、将碳纳米管在超声的作用下分散到步骤一中得到的有机活化剂溶液中，得到混合溶液；所述超声的功率小于20kW，时间不超过60min；步骤三、采用氨水将步骤二中得到的混合溶液的pH调节至8～10，然后加入可溶性镍盐溶液搅拌均匀，再加入二氧化硫脲进行反应，经离心洗涤得到Ni@CNTs混合浆料，将Ni@CNTs混合浆料在100℃～300℃的条件下进行低温热处理，得到Ni@CNTs复合粉体；步骤四、将步骤三中得到的Ni@CNTs复合粉体与钛基粉末放置于行星式混粉机中混合均匀，得到Ni@CNTs钛基复合粉体；所述钛基粉末为钛粉或钛合金粉；步骤五、将步骤四中得到的Ni@CNTs钛基复合粉体放入模具中，采用快速等离子放电烧结法进行加压烧结，得到Ni@CNTs强化钛基复合材料坯体，然后依次进行中温和高温多道次轧制，再经线切割，得到Ni@CNTs强化钛基复合材料；所述中温多道次轧制的温度为400℃～600℃，所述高温多道次轧制的温度为800℃～1000℃，所述中温和高温多道次轧制的总变形量为50％～90％，每道次轧制的下压量均为1mm，每道次轧制的保温时间均为10min～30min。...

【技术特征摘要】
1.一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将3-磺丙基十四烷基二甲基铵分散在乙醇溶液中超声分散30min～60min，得到有机活化剂溶液；所述乙醇溶液的体积浓度为5％～20％；步骤二、将碳纳米管在超声的作用下分散到步骤一中得到的有机活化剂溶液中，得到混合溶液；所述超声的功率小于20kW，时间不超过60min；步骤三、采用氨水将步骤二中得到的混合溶液的pH调节至8～10，然后加入可溶性镍盐溶液搅拌均匀，再加入二氧化硫脲进行反应，经离心洗涤得到Ni@CNTs混合浆料，将Ni@CNTs混合浆料在100℃～300℃的条件下进行低温热处理，得到Ni@CNTs复合粉体；步骤四、将步骤三中得到的Ni@CNTs复合粉体与钛基粉末放置于行星式混粉机中混合均匀，得到Ni@CNTs钛基复合粉体；所述钛基粉末为钛粉或钛合金粉；步骤五、将步骤四中得到的Ni@CNTs钛基复合粉体放入模具中，采用快速等离子放电烧结法进行加压烧结，得到Ni@CNTs强化钛基复合材料坯体，然后依次进行中温和高温多道次轧制，再经线切割，得到Ni@CNTs强化钛基复合材料；所述中温多道次轧制的温度为400℃～600℃，所述高温多道次轧制的温度为800℃～1000℃，所述中温和高温多道次轧制的总变形量为50％～90％，每道次轧制的下压量均为1mm，每道次轧制的保温时间均为10min～30min。2.根据权利要求1所述的一种新型改性碳纳米管强化钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述氨水的体积浓度为35％，所述二氧化硫脲、可溶性镍盐溶液中可溶性镍盐与碳纳米管的质量比为(0.1～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：董龙龙，张于胜，霍望图，卢金文，刘跃，李亮，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：陕西,61