一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法技术

技术编号：41305185 阅读：4 留言：0更新日期：2024-05-13 14:50

本发明专利技术提供一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法，制备方法包括：步骤1)在惰性气体和氧气的气氛下，对CNT粉末和铝原料粉末进行进行球磨混合，以使至少部分铝粉的表面形成氧化铝、至少部分CNT的表面形成悬挂碳，同时使氧化铝和悬挂碳产生化学结合；球磨后得到复合材料粉末；步骤2)对复合材料粉末进行烧结处理，得到坯锭；坯锭中形成复合核壳结构；步骤3)对坯锭进行塑性进行加工处理、固溶处理、时效处理，得到碳纳米管增强铝基复合材料。本发明专利技术在球磨阶段引入氧源，产生的氧化铝与CNT形成复合核壳结构，减少Al<subgt;4</subgt;C<subgt;3</subgt;相的生成，使其可应用于潮湿环境，且复合核壳结构可促进界面结合，提升材料的力学性能。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属基复合材料，特别涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法。

技术介绍

1、碳纳米管(cnt)具有极高的力学性能(抗拉强度>10gpa，弹性模量～1gpa)，碳纳米管被认为是复合材料的理想增强体。向铝合金基体中加入少量cnt即有望制备出高强、高模的铝基复合材料，从而使铝基复合材料在航空航天领域有着广阔的应用前景。

2、然而，由于碳纳米管(cnt)与铝基体之间的浸润性较差，为了促进cnt与铝基体之间的界面结合，作为一种改进，现有技术中往往要在较高的温度下合成cnt与铝基体，使cnt与铝发生部分界面反应。相比于低温烧结的cnt/al复合材料，界面反应产物al4c3相的生成有助于提升材料的强韧性[carbon,2017；114p 198-208]。但是，由于al4c3相是一种易水解相，含有较多al4c3相的cnt/al复合材料在潮湿环境中服役时容易发生气化，从而会在cnt/al复合材料中al4c3相初始存在的位置形成较多的孔洞缺陷，使cnt/al复合材料的强度与延伸率降低，导致cnt/al复合材料难以在潮湿环境中应用。因此，如何改善cnt/al复合材料的界面结合，尽可能减少易水解al4c3相的生成，成为了决定cnt/al复合材料综合性能是否优异的关键要素。

3、综上，现有的cnt/al复合材料至少存在如下技术问题：

4、现有cnt/al复合材料在潮湿环境中服役时，较多al4c3相在其初始存在的位置形成孔洞缺陷，导致cnt/al复合材料的强度与延伸率降低。

<p>技术实现思路

1、有鉴于此，本专利技术提供一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法，能够解决现有cnt/al复合材料在潮湿环境中服役时，较多al4c3相在其初始存在的位置形成孔洞缺陷，导致cnt/al复合材料的强度与延伸率降低的问题。

2、为了解决上述问题，一方面，本专利技术提供一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法，制备方法包括如下步骤：

3、步骤1)在惰性气体和氧气的气氛下，对cnt粉末和铝原料粉末进行球磨混合，以使至少部分铝粉的表面形成氧化铝、至少部分cnt的表面形成悬挂碳，同时使氧化铝和悬挂碳产生化学结合；在球磨混合结束后，得到复合材料粉末；

4、步骤2)对复合材料粉末进行烧结处理，得到坯锭；其中，坯锭中的至少部分氧化铝和至少部分cnt形成氧化铝包覆cnt的复合核壳结构；

5、步骤3)对坯锭依次进行塑性加工处理、固溶处理以及时效处理后，得到碳纳米管增强铝基复合材料。

6、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤1)中，将cnt粉末与铝原料粉末置入高能球磨机，并向高能球磨机通入惰性气体和氧气的混合气体，球磨混合后得到复合材料粉末；其中：

7、铝原料粉末为纯铝粉和铝合金粉末中的一种或多种；

8、优选的，所述铝原料粉末中铝元素含量大于85wt％；

9、优选的，所述铝原料粉末包括2系铝合金粉末、6系铝合金粉末和7系铝合金粉末中的一种或多种。

10、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤1)中，cnt粉末的平均径向尺寸为10-100nm，和/或铝基体粉末的平均粒径为0.1-200μm。

11、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤1)中，球料的质量比控制为5:1-30:1；和/或球磨时间控制为1-20小时；

12、铝原料粉末和cnt粉末的总质量为a，cnt粉末的质量为b，其中，b在a中的质量分数为0.2-8wt.％。

13、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤1)中，混合气体通入流量控制为100-2000ml/min，和/或惰性气体与氧气的质量比控制为8：1-100：1。

14、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤2)中，烧结处理包括热压烧结、热等静压烧结以及放电等离子烧结中的一种。

15、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤2)中，烧结处理采用加压烧结的情形下，温度控制为350-660℃，保温的时间控制为0-4小时，压力控制为20-100mpa。。

16、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤2)中，放电等离子烧结处理采用无压烧结时，无压烧结的温度控制为600-700℃，烧结保温的时间控制为0-4小时。

17、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤3)中，塑性加工的温度控制为350-550℃。

18、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤3)中，塑性加工包括挤压、锻造以及轧制中的一种；

19、优选的：名义挤压比不低于7:1；

20、优选的：名义轧制率不低于60％。

21、前述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，在步骤3)中，固溶处理的温度控制为450-550℃，时间控制为1-4小时；和/或时效处理的时间控制为5-120小时；

22、优选的，时效处理包括自然时效或人工时效；

23、优选的，人工时效的温度控制为100-200℃。

24、另一方面，本专利技术还提供一种碳纳米管增强铝基复合材料，碳纳米管增强铝基复合材料中包括铝基体和增强体，增强体包括氧化铝包覆碳纳米管的复合核壳结构；

25、碳纳米管增强铝基复合材料由上述任一项的制备方法制备而成。

26、与现有技术相比，本专利技术提供的一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法，至少具有如下有益效果。

27、一方面，本专利技术提供一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，步骤1)在惰性气体和氧气的气氛下，对cnt粉末和铝原料粉末进行球磨混合，以使至少部分铝粉的表面形成氧化铝、至少部分cnt的表面形成悬挂碳，同时使氧化铝和悬挂碳产生化学结合；在球磨混合结束后，得到复合材料粉末；步骤2)对复合材料粉末进行烧结处理，得到坯锭；其中，坯锭中的至少部分氧化铝和至少部分cnt形成氧化铝包覆cnt的复合核壳结构；步骤3)对坯锭依次进行塑性加工处理、固溶处理以及时效处理后，得到碳纳米管增强铝基复合材料。基于此：本专利技术通过在cnt粉末与铝原料粉末的高能球磨过程中通入适量的氧气，氧气可以与铝粉表面在高能球磨过程中发生原位反应形成氧化铝。cnt粉末在球磨过程中会因部分因结构破损而在cnt表面形成较多的悬挂碳。在高能球磨机的机械活化作用下，cnt粉末与铝原料粉末的温度大幅提升，促进了氧化铝与碳纳米管表面的悬挂碳产生化学结合，使得在后续高温烧结过程中形成氧化铝包覆碳纳米管的复合核壳结构。该复合核壳结构可以大大减少铝与悬挂碳直接反应生成易水解相al4c3的量，进而使得碳纳米管增强铝基复合材料可以服役于潮湿环境中。且悬挂碳与氧化铝的原位反应会在铝合金基体与增强相界面处形成键合，进而增强了cnt与铝基合金界面处的结合强度，从而改善了碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能。综上，本专利技术本文档来自技高网...

【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，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，将CNT粉末与铝原料粉末置入高能球磨机，并向高能球磨机通入惰性气体和氧气的混合气体，球磨混合后得到复合材料粉末，其中：

3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，CNT粉末的平均径向尺寸为10-100nm，和/或所述铝原料粉末的平均粒径为0.1-200μm。

4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，球磨混合的球料比控制为5:1-30:1；和/或球磨时间控制为1-20小时；

5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，混合气体的流量控制为100-2000ml/min，和/或惰性气体与氧气的质量比控制为8：1-100：1。

6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于

7.根据权利要求6所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，烧结处理采用加压烧结的情形下，温度控制为350-660℃，保温的时间控制为0-4小时，压力控制为20-100MPa。

8.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，放电等离子烧结处理采用无压烧结时，无压烧结的温度控制为600-700℃，烧结保温的时间控制为0-4小时。

9.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，塑性加工的温度控制为350-550℃。

10.根据权利要求9所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，塑性加工包括挤压、锻造以及轧制中的一种；

11.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，

12.一种碳纳米管增强铝基复合材料，其特征在于，所述碳纳米管增强铝基复合材料中包括铝基体和增强体，增强体包括氧化铝包覆碳纳米管的复合核壳结构；

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【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，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，将cnt粉末与铝原料粉末置入高能球磨机，并向高能球磨机通入惰性气体和氧气的混合气体，球磨混合后得到复合材料粉末，其中：

3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，cnt粉末的平均径向尺寸为10-100nm，和/或所述铝原料粉末的平均粒径为0.1-200μm。

6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，烧结处理包括热压烧结、热...

【专利技术属性】
技术研发人员：马凯，刘振宇，肖伯律，马宗义，王全兆，王东，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：

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