在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法技术

本发明专利技术公开了一种在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法，涉及高吸光性铝基粉体制备技术领域，所述方法包括以下步骤：S100、制备Ni/2024Al催化剂；S200、将Ni/2024Al催化剂在混合气体氛围下煅烧得到CNTs/2024Al‑Ni复合粉体。本发明专利技术的制备方法利用碳管的强吸光性和纳米尺度表面效应提高铝合金粉体对激光能量的吸收效率，降低能量损耗，避免高输入能量对样品微观结构的不利影响，克服金属粉体的低吸光率对3D打印技术应用中的不利影响，同时最大限度保存了原始粉末的球形度，满足3D打印要求。

In situ synthesis of carbon nanotubes on the surface of spherical aluminum alloy powder

【技术实现步骤摘要】
在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法
本专利技术涉及高吸光性铝基粉体制备
，尤其涉及一种在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法。
技术介绍
当前航天领域中，发动机材料轻量化主要体现在镁、铝合金及复合材料的大量应用，其中，使用镁、铝合金复合材料是当前实现飞机轻量化的重要途径，称为“材料轻量化”。将增材制造技术应用于航天复杂结构的设计制造领域，可以改变传统的构件设计模式，实现“功能优先设计”理念。只要满足零件功能和增材制造技术工艺要求，结构设计可以任意发挥。因此，增材制造技术对零件轻量化的重大作用不容忽视。更加值得注意的是，增材制造技术可以实现组件的一体化制造，对航天发动机组件的整体成形，能够减少现零件之间的装配及连接结构关系，达到减重的目的。激光选区熔化技术作为增材制造技术的一种，由于其成形过程中粉末经历了完全熔化/凝固过程，成形精度很高，可实现中小型构件的无模具、快速、全致密直接精密净成形，特别适合于具有复杂结构零件，构件性能可达到同成分锻件水平，兼顾精确成形和高性能成形需求，其技术特点特别适合航天复杂构件“材料-设计-制造”一体化的发展要求。目前，航天发动机常用的铝合金材料为2024，具有密度轻、比刚度和比强度高等优点，但是由于其材料具有较高的热导性和热膨胀系数，且在激光选区熔化成形过程存在粉末表面吸光率过低的问题，成为制约2024铝合金材料工程化应用的主要技术瓶颈。激光选区熔化技术的过程主要表现为待加工金属粉体吸收激光能量并将该能量转化为热能熔化成形；因此，材料对激光能量的吸收效率对加工过程起重要作用。受自身性能的限制，激光在2024Al合金粉体表面产生强烈的反射，带走绝大部分能量(激光在金属粉体表面附近电场会形成驻波波节，自由电子受到光波电磁场的强迫震动后产生次波，次波引发强烈的反射波，最终导致能量丧失)；并且对于长波段激光该现象尤为明显(长波段下，光子能量较低，主要对金属中的自由电子起作用，几乎是全反射的，只有少量的吸收)。因而在采用激光熔烧金属粉时需要较大的激光能量，但这会造成对基体的热输入过大，导致成形零件变形较大、晶粒粗大、组织恶化等恶劣影响，严重影响打印所得零件的各项性能。可见，提高打印用粉对激光的吸收率，是3D打印领域急需解决的问题。为增强金属表面激光吸收效率，普遍的做法是在金属材料表面涂覆一层电阻率高、自由电子少的涂料。但是这种方法应用于金属粉体领域则会出现一些新的问题：涂覆材料容易引入杂质及改变金属基体的原有成分，在微米粉末表面进行难以实现表面平整、厚度均匀的涂覆。随着增材制造技术的发展，利用激光将金属粉末逐层熔化并成型为金属零件的选区激光熔融技术获得了国内外学者的广泛关注。因此，开发一种提高金属粉末激光能量吸收率的新方法已成为一种迫切需要。近年来，纳米复合材料技术的迅速发展，为2024铝合金激光选区熔化成形提供了可能，替代传统的2024铝合金钎焊工艺，为航天发动机、国防、军工、兵器和导弹的国防战略领域提供技术支撑。因此，为了克服现有技术中2024铝合金微米粉对激光的吸收率不高，进而导致选区激光熔融技术应用过程中的诸多局限性问题，本领域的技术人员致力于开发一种铝合金粉体制备方法和原位合成碳纳米管的方法，不仅能利用碳管的强吸光性和表面效应提高铝合金粉体对激光能量的吸收效率，同时通过碳纳米管的强化效果增强铝合金基体，而且能最大限度保留粉末的球形度，以满足3D打印的需求。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法，不仅能利用碳管的强吸光件和表面效应提高铝合金粉体对激光能量的吸收效率，同时通过碳纳米管的强化效果增强铝合金基体，而且能最大限度保留粉末的球形度，以满足3D打印的需求。为实现上述目的，本专利技术提供了一种在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法，所述方法包括步骤：S100、制备Ni/2024Al催化剂；S200、将Ni/2024Al催化剂在混合气体氛围下煅烧得到CNTs/2024Al-Ni复合粉体。本专利技术还提供了一种Ni/2024Al催化剂的制备方法，所述方法包括：S100、称取2024Al合金粉体和六水合硝酸镍混合于无水乙醇中混合并超声分散均匀；S200、在50℃下通过磁力搅拌器持续搅拌步骤S101分散后的混合物直到无水乙醇完全挥发得到粉体；S300、将S200得到的粉体置于石英舟中，在保护气体氛围保护下煅烧，获得NiO/2024Al复合粉体；S400、还原S300得到的NiO/2024Al复合粉体得到Ni/2024Al催化剂。本专利技术与现有技术相比，具有的技术优势在于：本专利技术在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法利用碳管的强吸光性和纳米尺度表面效应提高铝合金粉体对激光能量的吸收效率，降低能量损耗，避免高输入能量对样品微观结构的不利影响，克服金属粉体的低吸光率对3D打印技术应用中的不利影响，同时最大限度保存了原始粉末的球形度，满足3D打印要求。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例的在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法流程图；图2(a)至图2(b)是本专利技术的一个较佳实施例制备的含镍量1.0wt.％的CNTs/2024Al-Ni复合粉体SEM及TEM照片，其中图2(a)为制备的含镍量1.0wt.％的CNTs/2024Al-Ni复合粉体SEM照片；图2(b)为制备的含镍量1.0wt.％的CNTs/2024Al-Ni复合粉体TEM照片；图3(a)至图3(b)至是本专利技术的一个较佳实施例制备的含镍量2.5wt.％的CNTs/2024Al-Ni复合粉体SEM及TEM照片；其中图3(a)为制备的含镍量1.0wt.％的CNTs/2024Al-Ni复合粉体SEM照片；图3(b)为制备的含镍量1.0wt.％的CNTs/2024Al-Ni复合粉体TEM照片；图4是本专利技术实施例1和实施例2制备的CNTs/2024Al-Ni复合粉体和纯2024Al吸光率对比图；图5是本专利技术的一个较佳实施例制备的CNTs产率和镍含量变化关系图。具体实施方式以下参考说明书附图1至图5介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。如图1本专利技术的一个较佳实施例的在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法流程图所示，包括以下步骤：S100、制备Ni/2024Al催化剂；S200、将Ni/2024Al催化剂在混合气体氛围下煅烧得到CNTs/2024Al-Ni复合粉体。本专利技术在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法利用碳管的强吸光性和纳米尺度表面效应提高铝合金粉体对激光能量的吸收效率，降低能量损耗，避免高输入能量对样品微观结构的不利影响，克服金属粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法，所述方法包括以下步骤：/nS100、制备Ni/2024Al催化剂；/nS200、将Ni/2024Al催化剂在混合气体氛围下煅烧得到CNTs/2024Al-Ni复合粉体。/n

【技术特征摘要】
1.在铝合金球形粉表面原位合成碳纳米管的方法，所述方法包括以下步骤：
S100、制备Ni/2024Al催化剂；
S200、将Ni/2024Al催化剂在混合气体氛围下煅烧得到CNTs/2024Al-Ni复合粉体。


2.如权利要求1所述的方法，其中，优选的，所述步骤S100还包括：
S101、称取2024Al合金粉体和六水合硝酸镍混合于无水乙醇中得到混合物，并将该混合物超声30-40mins以充分分散；
S102、在50℃下通过磁力搅拌器持续搅拌步骤S101分散后的混合物直到无水乙醇完全挥发得到粉体；
S103、将粉体置于石英舟中，在Ar/N2保护下于200-250℃下煅烧4-5h，获得NiO/2024Al复合粉体；
S104、在H2气氛中于450-500℃还原NiO/2024Al复合粉体2.0-2.5h，得到Ni/2024Al催化剂。


3.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤S200还包括：
S201、将Ni/2024Al催化剂在H2/Ar/CH4混合气体氛围下于650-700℃下反应1-1.5h得到样品；
S202、将步骤S201得到的样品在Ar/H2保护下降温至室温后取出，得到CNTs/2024Al-Ni复合粉体。


4.如权利要求3所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪元超，孙艺玮，任晓兵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61