包含金属和纳米颗粒的复合材料制造技术

本发明专利技术涉及包含金属和纳米颗粒，特别是碳纳米管（CNT）的复合材料，其特征在于该复合材料具有平均尺寸为高于100纳米至200纳米，优选120纳米至200纳米的微晶的金属微晶结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包含金属和纳米颗粒，特别是碳纳米管(CNT)的复合材料，其特征在于该复合材料具有平均尺寸为高于100纳米至200纳米，优选120纳米至200纳米的微晶的金属微晶结构。
技术介绍
碳纳米管(CNT)，有时也称作“碳原纤”或“中空碳原纤”通常是直径3至100纳米且长度为其直径的数倍的圆柱形碳管。CNT可以由一个或多个碳原子层构成并以具有不同形态的芯为特征。CNT 很早已从文献中获知。尽管 Iijima (s. Iijima, Nature 354，56 - 58，1991)通常被认为最早发现CNT，但实际上，具有数个石墨层的纤维形石墨材料自七十和八十年代已为人所知。例如，在GB 14 699 30 Al和EP 56 004 A2中，Tates和Baker首次描述由烃的催化分解沉积极细纤维碳。但是，在这些公开文献中，基于短链碳水化合物制成的碳丝没有进一步在其直径方面表征。碳纳米管的最常见结构是圆柱形，其中CNT可以由单石墨烯层(单壁碳纳米管)或多个同心石墨烯层(多壁碳纳米管)构成。制造此类圆柱形CNT的标准方式基于电弧放电、激光消融、CVD和催化CVD法。在Iijima的上述文章(Nature 354，56 - 58，1991)中，描述了使用电弧放电法形成具有两个或更多个同心无缝圆柱体形式的石墨烯层的CNT。根据所谓的“卷起矢量(roll up vector)”，相对于CNT纵轴的碳原子的手性和反手性排列是可能的。在Bacon 等人的文章，J. Appl. Phys. 34, 1960, 283 - 290 中，首次描述了由单连续卷绕石墨烯层构成的CNT的不同结构，其通常被称作“卷轴(scroll)型”。由不连续石墨烯层构成的类似结构以“洋葱型” CNT为名为人所知。Zhou等人，Science，263，1994，1744-1747 和 Lavin 等人，Carbon 40，2002, 1123 - 1130 后来也发现了此类结构。如公知的那样，CNT在电导率、热导率和强度方面具有确实显著的特性。例如，CNT具有超过金刚石的硬度和比钢高十倍的拉伸强度。因此，已继续努力使用CNT作为复合或组合材料，如陶瓷、聚合物材料或金属中的成分，以试图将这些有利特性中的一些转移给复合材料。从US 2007/0134496 Al中获知制造CNT分散复合材料的方法，其中通过球磨机捏合和分散陶瓷和金属和长链碳纳米管的混合粉末，并使用放电等离子体烧结该分散材料。如果使用铝作为金属，优选粒度为50至150微米。在JP 2007 154 246 A中描述了在机械合金化法中混合和捏合碳纳米材料和金属粉末以制造复合CNT金属粉末的类似方法。在WO 2006/123 859 Al中描述了获得金属-CNT-复合材料的另一相关方法。在 此，在球磨机中以300 rpm或更大的研磨速度混合金属粉末和CNT。这种现有技术的主要目的之一是确保CNT的定向性以增强机械和电性质。根据这一专利文献，通过在纳米原纤均勻分散在金属中的情况下对该复合材料施加机械质流工艺，赋予该纳米原纤定向性，其中质流工艺可以例如是复合材料的挤出、轧制或注射。本专利技术人的WO 2008/052 642和WO 2009/010 297公开了制造含有CNT和金属的复合材料的另一方法。在此，通过使用球磨机的机械合金化制造该复合材料，其中将球加速至高达11米/秒或甚至14米/秒的极高速度。所得复合材料以交替的金属和CNT层的层状结构为特征，其中单个金属材料层可以为20至200，000纳米厚，单个CNT层可以为20至50，000纳米厚。现有技术的层结构显示在图Ila中。如这些专利文献中进一步显示，通过在纯铝基质中引入6.0重量％ CNT，与纯铝相比可显著提高拉伸强度、硬度和弹性模量。但是，由于该层结构，机械性质不是各向同性的。为了提供CNT的均匀和各向同性分布，在JP 2009 03 00 90中，提出形成CNT金 属复合材料的另一方式。根据该文献，将平均初级粒度为O. I微米至100微米的金属粉末浸在含CNT的溶液中并通过亲水化使CNT附着到金属颗粒上，由此在金属粉末颗粒上形成网形涂膜。该CNT涂布的金属粉末可随后在烧结法中进一步加工。也可通过在基底表面上堆叠该涂布的金属复合材料来形成堆叠金属复合材料。所得复合材料据报道具有优异的机械强度、电导率和热导率。从现有技术的上述论述中显而易见，在金属中分散CNT的同一一般理念可以以许多不同方式付诸实践，所得复合材料可具有不同的机械、电和热导率性质。要进一步理解的是，上述现有技术仍在研发早期，即仍有待表明哪种类型的复合材料可最终在足够大的规模下和在经济合理的条件下生产以便可实际投入工业使用。此外，几乎尚未检查该复合材料本身的机械性质，仍要表明该复合材料在进一步加工成制品时表现如何，特别是作为源材料的该复合材料的有益性质可在多大程度上转移给由其制成的最终制品和在制品使用时得到保持。尽管已描述各种含CNT的金属，但仍要证实和通过实际经验细调这些复合材料在大规模应用中的表现。现在已经发现，令人惊讶地，在合金具有鲜明的微晶尺寸范围并使用极特定的CNT时，各向同性的CNT-铝-合金中的性质优异。因此本专利技术的目的是提供具有与现有技术的材料相比进一步提高的机械性质，如硬度、拉伸强度和杨氏模量、耐热性，即高温稳定性的包含金属和纳米颗粒的改进的复合材料，及其制造方法。本专利技术的另一同样重要的目的是提供在进一步加工成半成品或成品时表现出这些优异的有益机械性质并在该产品使用时保持有益性质的这样的复合材料。这能在保持有利机械性质的同时以高精确度和效率制造该材料且最终产品本身也具有高温稳定性。关于制造方法，本专利技术的另一目的是提供能在使参与生产的人员的暴露可能最小化的同时实现单独成分以及复合材料的简单和成本有效的操作的方法。专利技术概述 为了满足根据一个实施方案的上述目的，提供制造包含金属和纳米颗粒，特别是碳纳米管(CNT)的复合材料的方法，其中通过机械合金化加工金属粉末和纳米颗粒，以例如形成包含具有高于100纳米至200纳米，优选120纳米至200纳米的平均尺寸的金属微晶的复合材料。相应地，该复合材料在结构上与JP 2009 03 00 90或US 2007/0134496的复合材料的差别在于该金属微晶小至少一个量级。本专利技术的复合材料与专利技术人之前的专利技术的差别还在于，在本复合材料中，形成低于200纳米，但大于100纳米的独立金属微晶，而根据上述专利文献，该复合材料(compound)具有金属和CNT的交替薄层结构,其中金属层的面内延伸远超过200纳米。 在EP 1918249 Al和WO 2009/010297 Al中，公开了使用具有50. 000纳米的最大横向长度的CNT和CNT附聚物。但是，如本说明书后文中描述的特定类型的CNT(在本说明书下文中进一步称作“CNT-INV”)的使用经证实对离析物的加工和对本专利技术的复合材料和由其制成的半成品和成品的所得性质而言极有用。在实验中已经发现，在CNT-金属复合材料中的平均微晶尺寸为高于100纳米至200纳米，优选120纳米至200纳米时，CNT对机械合金的增强作用最显著。与现有技术的复合材料相比，由此制成的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·亚当斯，
申请(专利权)人：拜耳材料科学股份公司，
类型：发明
国别省市：