一种氧化锆包覆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氧化锆包覆碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，通过醇热法在经酸洗后官能团化的碳纳米管表面沉积均匀的氧化锆颗粒，得到包覆氧化锆的碳纳米管增强相。将表面包覆氧化锆的碳纳米管与铝粉通过球磨法均匀混合并冷压制备得预制中间块，然后在高能超声过程中将其导入熔体中，持续超声一定时间后浇入预热后的覆膜砂模具中得到包覆氧化锆的碳纳米管增强铝基复合材料。本发明专利技术使包覆氧化锆的碳纳米管能够均匀分散在复合材料之中，改善增强相与基体间的界面结合，使制备的复合材料具有高强度、高硬度、耐腐蚀性等优良综合性能。同时，熔铸法制备技术具有简单、安全、低成本等优点。成本等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化锆包覆碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于铝基复合材料制造领域，具体涉及一种氧化锆包覆碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]铝合金作为轻质结构材料具有密度小和优异的机械加工性能，在航空航天和汽车等工业领域中具有广阔的应用前景。然而，随着科技的发展和进步，铝合金低强度，耐磨性以及硬度较差等缺陷，使其越来越难于满足上述领域的要求。目前，通过向铝合金中添加增强材料合成铝基复合材料是一种有效提升铝基材料力学性能的方法。碳纳米管具有超高强度(高达100GPa)和刚度(高达1TPa)等特殊性能成为一种新兴的增强材料。在铝基体中加入性能优异的碳纳米管，可以提高基体合金的抗拉强度、延伸率，导热导电率等。但由于碳纳米管具有很大的比表面积和高的长径比，碳纳米管之间存在很强的范德华力，使得碳纳米管之间团聚和缠绕现象严重，造成与铝基体界面结合强度弱，且无法提升复合材料中碳纳米管的含量，由此严重影响复合材料的性能。
[0003]针对上述问题，大量研究集中在复合材料的制备方法上，如高能球磨、粉末冶金、分子级混合、原位生长和搅拌熔铸等。一些研究小组采用上述方法确实研制出了具有优异力学性能的碳纳米管增强铝基复合材料。然而，其缺陷也很明显，如高能球磨法容易破坏碳纳米管的结构，降低其在复合材料中的强化效果；粉末冶金法制备的复合材料致密性较差；而原位生长法必需的繁琐工序和特殊要求不适合大批量生产且碳纳米管的强化效率仍然远远低于我们的预期。
[0004]在公开号CN1724473A，名为“碳纳米管/纳米氧化锆复合增韧材料及其制备方法”中，研究了不同锆源加入经表面处理后的碳纳米管水悬浮液中，在强碱环境下制备混合物胶体，此后经高温加热将氧化锆沉积在碳纳米管表面。在上述制备过程中均在水环境中进行，碳纳米管在水中的分散性较差，导致生成的氧化锆颗粒分布不均匀。
[0005]在公开号CN109971420A，名为“一维二氧化锆/碳纳米管纳米复合材料的制备方法及应用”中，研究了在酸化碳纳米管中加入五水合硝酸锆和浓硝酸，并用氨水调节pH值，在一定高温下发生氧化还原反应生成二氧化锆。在上述方法中，制备氧化锆的温度较低，生成的氧化锆多为单斜相，且纳米级氧化锆颗粒容易团聚。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提出一种氧化锆包覆碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法。本专利技术所述的铝基复合材料的制备主要包括采用酸洗对碳纳米管进行纯化，并以纯化的碳纳米管为载体，通过醇热化学反应法在其表面沉积一层均匀的氧化锆颗粒，得到包覆氧化锆的碳纳米管增强相；将表面包覆氧化锆的碳纳米管与铝粉通过球磨法均匀混合得混合粉末；对混合粉末进行冷压得到预制中间块；在高能超声分散过程中加入预制中间块熔铸而得。高能超声产生的超声波空化效应可在熔体中产生大量的瞬态高温高压点，对克服颗粒
间的范德瓦尔斯能及枝晶有强烈的冲击作用，从而起到分散碳纳米管和细化复合材料晶粒的作用。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种氧化锆包覆碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)将纯化后的碳纳米管利用醇热化学反应制备表面包覆ZrO2的碳纳米管；
[0010]2)将步骤1)表面包覆ZrO2的碳纳米管与铝粉球磨后冷压制备中间预制块(Al
‑
ZrO2@CNTs)；
[0011]3)取ADC12铝合金加热至740
‑
780℃将合金熔化，然后将Al
‑
ZrO2@CNTs加入合金熔体，加入后施加高能超声，最后将熔体导入模具得到复合材料。
[0012]进一步地，步骤1)所述醇热化学反应包括：
[0013]①
将ZrOCl2溶解于无水乙醇配制成0.08
‑
0.12mol/L的ZrOCl2乙醇溶液；
[0014]②
将纯化后的碳纳米管加入到无水乙醇中经超声得到碳纳米管乙醇均匀分散液；
[0015]③
在步骤
②
所得碳纳米管乙醇均匀分散液中加入步骤
①
所配ZrOCl2乙醇溶液并磁力搅拌；
[0016]④
在步骤
③
搅拌后混合液中加入丙三醇并搅拌，搅拌后采用pH调节剂调节pH为10
‑
12；
[0017]⑤
将步骤
④
调节pH后混合液在100
‑
300℃条件下保温后真空抽滤，随后真空干燥后焙烧得到表面包覆ZrO2的碳纳米管。
[0018]进一步地，步骤1)所述纯化为：配制浓硝酸和浓硫酸体积比为1：(1
‑
5)的酸溶液，按每100mL酸溶液加入2.5
‑
3.5g碳纳米管进行配比，将混合物磁力搅拌并加热至80
‑
120℃，冷凝回流4
‑
8h，然后采用去离子水过滤3
‑
4次至滤液呈中性，60
‑
80℃真空干燥20
‑
28h后得到纯化后的碳纳米管。
[0019]进一步地，步骤
②
所述碳纳米管质量与无水乙醇体积比为1：(200
‑
280)，g/mL。
[0020]进一步地，步骤
③
所述ZrOCl2乙醇溶液添加量依据ZrO2占表面包覆ZrO2的碳纳米管质量分数20％
‑
60％量取。
[0021]进一步地，步骤
④
所述丙三醇添加量按照丙三醇和ZrOCl2的浓度比为(2
‑
10)：1量取；所述pH调节剂为1mol/L的NaOH/乙醇溶液。
[0022]进一步地，步骤
⑤
所述真空干燥温度为60
‑
80℃，时间为20
‑
28h；所述焙烧温度为200
‑
550℃，时间为1
‑
3h。
[0023]进一步地，步骤2)所述球磨球料比为(8
‑
12)：1，转速为100
‑
300rpm，球磨时间为1
‑
10h，球磨过程中还需加入硬脂酸作为过程控制剂。
[0024]进一步地，步骤2)所述冷压压力为800
‑
1200kN，保压时间5
‑
15min。
[0025]进一步地，步骤3)所述Al
‑
ZrO2@CNTs加入合金熔体Al
‑
ZrO2@CNTs的加入量占合金熔体总重量的0.5wt.％
‑
2wt.％。
[0026]进一步地，步骤3)所述高能超声操作方法为将超声变幅杆探头浸入合金熔体中，施加超声功率0.7
‑
2.8kW，频率18
‑
22kHz，时间为5
‑
20min，整个超声过程充入氩气进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化锆包覆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)将纯化后的碳纳米管利用醇热化学反应制备表面包覆ZrO2的碳纳米管；2)将步骤1)表面包覆ZrO2的碳纳米管与铝粉球磨后冷压制备中间预制块；3)取ADC12铝合金加热至740
‑
780℃将合金熔化，然后将中间预制块加入合金熔体，加入后施加高能超声，最后将熔体导入模具得到复合材料。2.根据权利要求1所述一种氧化锆包覆碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述醇热化学反应包括：
①
将ZrOCl2溶解于无水乙醇配制成0.08
‑
0.12mol/L的ZrOCl2乙醇溶液；
②
将纯化后的碳纳米管加入到无水乙醇中经超声得到碳纳米管乙醇均匀分散液；
③
在步骤
②
所得碳纳米管乙醇均匀分散液中加入步骤
①
所配ZrOCl2乙醇溶液并磁力搅拌；
④
在步骤
③
搅拌后混合液中加入丙三醇并搅拌，搅拌后采用pH调节剂调节pH为10
‑
12；
⑤
将步骤
④
调节pH后混合液在100
‑
300℃条件下保温后真空抽滤，随后真空干燥后焙烧得到表面包覆ZrO2的碳纳米管。3.根据权利要求1或2所述一种氧化锆包覆碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述纯化为：配制浓硝酸和浓硫酸体积比为1：(1
‑
5)的酸溶液，按每100mL酸溶液加入2.5
‑
3.5g碳纳米管进行配比，将混合物磁力搅拌并加热至80
‑
120℃，冷凝回流4
‑
8h，然后采用去离子水过滤3
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫洪，曾敏，雷雨顺，胡志，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：