一種放電等離子(sps)燒結(jié)制備多壁碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種放電等離子（SPS)燒結(jié)制備多壁碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 的方法，尤其涉及一種高增強(qiáng)體含量的致密金屬基復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳納米管的直徑在0. 3nm到幾十納米之間，長(zhǎng)度可達(dá)幾十微米，是兩端封閉的富 勒烯管，有單層和多層之分，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和物理特性：彈性應(yīng)變可達(dá)12%，彈 性模量超過I. 8 X IO6MPa,彎曲強(qiáng)度為1. 42 X IO7MPa,長(zhǎng)度超過IOnm時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)依然可以達(dá) 到2800w/m · K，同時(shí)其密度很低僅為l-2g/cm3。將碳納米管加入到金屬、合金中可以顯著 提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，同時(shí)降低材料的密度并保持較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力，也可以用于制備 自潤(rùn)滑、耐高溫、耐腐蝕的功能材料。碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有非常廣闊的發(fā)展前 景。
[0003] 關(guān)于碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備和性能研宄已有相關(guān)的專利和文獻(xiàn)報(bào) 道，目前采用的主要制備方法是攪拌鑄造和傳統(tǒng)的粉末冶金法。但這兩類制備方法都存在 固有的缺陷：由于碳納米管的比表面積很大，表面能高，與液態(tài)金屬密度相差較大，鑄造材 料中碳納米管分布不均，易團(tuán)聚偏析形成弱化相，很難得到性能均一的材料，攪拌和超聲處 理雖然能夠改善碳納米管的分散性和均勻性，但又會(huì)引入氣孔，對(duì)設(shè)備的要求也較高；半固 態(tài)攪拌鑄造雖然極大改善了上述缺點(diǎn)，但是工藝非常復(fù)雜，工序較多，有時(shí)還需要后續(xù)的冷 軋?zhí)幚?，極大增加了制備成本。傳統(tǒng)粉末冶金的制備方法多采用真空熱壓燒結(jié)，但得到的 材料也存在孔隙和微裂紋等缺陷，而且在燒結(jié)前要將碳納米管粉末和金屬粉末經(jīng)行液相分 散，為改上金屬和碳納米管的界面結(jié)合，還需要對(duì)金屬粉末和碳納米管進(jìn)行表面改性，這些 都增加了復(fù)合材料的制備成本，增加了工藝復(fù)雜性；熱壓燒結(jié)的溫度一般較高，壓力也很 大，燒結(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，因此能耗很高。碳納米管與金屬性質(zhì)差別大很大，基本不潤(rùn)濕，很難形 成界面結(jié)合，因此碳納米管的添加量也受到限制，限制了復(fù)合材料的性能提高和大規(guī)模應(yīng) 用。
[0004] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 1. 一種多壁碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，多壁碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)20% 以上，并可以任意、準(zhǔn)確控制其質(zhì)量百分比。
[0006] 2.所用多壁碳納米管的長(zhǎng)度不小于1 μ m。
[0007] 3.所用金屬粉末可以為球狀粉末或其他任意形狀的粉末，粉末粒徑不大于 400 μπι。所用原料可以為鋁、鎂、鈦、銅、鐵、鎳等的純金屬，或其一種或多種合金。
[0008] 4.制備1中所述材料的步驟為：
[0009] (1)氣相沉積法制備多壁碳納米管，或直接選用商業(yè)產(chǎn)品。
[0010] ⑵制備粒徑小于400 μ m的金屬粉末，或直接選用商業(yè)產(chǎn)品。。
[0011] (3)將多壁碳納米管粉末和金屬粉末按照所需的質(zhì)量配比進(jìn)行混合，采用有機(jī)溶 劑液相超聲分散的方法將碳納米管和金屬和粉末均勾混合，超聲分散時(shí)間為3 O -6 Om i η， 再真空干燥l〇_24h ;也可采用球磨法進(jìn)行機(jī)械混合，轉(zhuǎn)速為200-300r/min，混合時(shí)間 10-30min，無需干燥。
[0012] (4)將混合好的多壁碳納米管-金屬復(fù)合粉末裝入石墨模具中，進(jìn)行SPS燒結(jié) 成型，燒結(jié)參數(shù)：燒結(jié)壓力為40Mpa，電流通斷（on/off)比為4:l(32m S/8ms)，升溫速率為 50-100°C /min，到達(dá)最終燒結(jié)溫度后保溫lmin，水冷降溫。最終燒結(jié)溫度根據(jù)金屬的種類 確定，應(yīng)低于所用純金屬或合金的熔點(diǎn)150-300 °C。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：（1)可以制備高碳納米管含量的金屬基復(fù)合材料，多壁碳納米 管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)20%以上，并可以任意、精確調(diào)控。（2)制備工藝簡(jiǎn)單高效，對(duì)多壁碳納 米管的來源無特殊要求，也不需要進(jìn)行前處理；對(duì)金屬粉末的形狀也無特殊要求，不需要進(jìn) 行表面改性處理。（3)多壁碳納米管粉末與金屬粉末混合方式多樣，適用范圍廣，不易產(chǎn)生 鑄造制備時(shí)的團(tuán)聚現(xiàn)象，碳納米管在金屬中均勻分布且無特定取向，復(fù)合材料的性能均一 各向同性。（5) SPS燒結(jié)時(shí)，金屬粉末及碳納米管間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫使金屬粉末 局部熔化，也會(huì)使碳納米管表面產(chǎn)生活化，在高溫等離子體濺射、放電沖擊及電場(chǎng)加速作用 下，使金屬基體與多壁碳納米管界面產(chǎn)生原子擴(kuò)散連接，實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合。（6) SPS燒結(jié) 的溫度較低，低于金屬熔點(diǎn)150-300°C，對(duì)金屬與碳納米管的影響小，同時(shí)燒結(jié)時(shí)間短，整個(gè) 燒結(jié)過程少于半小時(shí)，能耗低。（7)燒結(jié)方法適用的金屬或合金種類多，基本可以適用于任 何固態(tài)金屬。
【附圖說明】
[0014] 圖1單根多壁碳納米管與鋁合金中結(jié)合界面的TEM圖，碳納米管與7055鋁合金界 面是冶金結(jié)合，原子間相互擴(kuò)散界面純凈
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0016] 實(shí)施例1
[0017] 選取粒徑50 μπι的7055鋁合金粉末，在無水乙醇中超聲分散60min，再50°C真空 干燥12h，最后將粉末裝入石墨模具中進(jìn)行SPS燒結(jié)，燒結(jié)參數(shù)：壓力為40MPa，燒結(jié)溫度為 450°C，升溫速率為90°C /min，450°C等壓保溫Imin，電流通斷比為4:1，保溫結(jié)束水冷。得 到致密的不含碳納米管的7055鋁合金塊體，編號(hào)為1#樣。
[0018] 實(shí)施例2
[0019] 按照1:199的質(zhì)量比將碳納米管粉末與粒徑50 μ m的7055鋁合金粉末均勻混合， 在無水乙醇中超聲分散60min，再50°C真空干燥12h ;將干燥好的復(fù)合粉末裝入石墨模具中 進(jìn)行SPS燒結(jié)，燒結(jié)參數(shù)：壓力為40MPa，燒結(jié)溫度為450°C，升溫速率為90°C /min，450°C等 壓保溫Imin，電流通斷比為4:1，保溫結(jié)束水冷。得到致密的碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%的 7055鋁合金基復(fù)合材料，編號(hào)為2#樣。
[0020] 實(shí)施例3
[0021] 按照1:99的質(zhì)量比將碳納米管粉末與粒徑50 μπι的7055鋁合金粉末均勻混合， 在無水乙醇中超聲分散60min，再50°C真空干燥12h ;將干燥好的復(fù)合粉末裝入石墨模具中 進(jìn)行SPS燒結(jié)，燒結(jié)參數(shù)：壓力為40MPa，燒結(jié)溫度為450°C，升溫速率為90°C /min，450°C 等壓保溫Imin，電流通斷比為4:1，保溫結(jié)束水冷。得到致密的碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I %的 7055鋁合金基復(fù)合材料，編號(hào)為3#樣。
[0022] 實(shí)施例4
[0023] 按照3:97的質(zhì)量比將碳納米管粉末與粒徑50 μπι的7055鋁合金粉末均勻混合， 在無水乙醇中超聲分散60min，再50°C真空干燥12h ;將干燥好的復(fù)合粉末裝入石墨模具中 進(jìn)行SPS燒結(jié)，燒結(jié)參數(shù)：壓力為40MPa，燒結(jié)溫度為450°C，升溫速率為90°C /min，450°C 等壓保溫Imin，電流通斷比為4:1，保溫結(jié)束水冷。得到致密的碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的 7055鋁合金基復(fù)合材料，編號(hào)為4#樣。
[0024] 實(shí)施例5
[0025] 按照1:19的質(zhì)量比將碳納米管粉末與粒徑50 μ m的7055鋁合金粉末均勻混合， 在無水乙醇中超聲分散60min，再50°C真空干燥12h ;將干燥好的復(fù)合粉末裝入石墨模具中 進(jìn)行SPS燒結(jié)，燒結(jié)參數(shù)：壓力為40MPa，燒結(jié)溫度為450°C，升溫速率為90°C /min，450°C 等壓保溫Imin，電流通斷比為4:1，保溫結(jié)束水冷。得到致密的碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的 7055鋁合金基復(fù)合材料，編號(hào)為5#樣。
[0026] 以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明針對(duì)7055鋁合金的幾種實(shí)施方式，但并不能因 此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。
[0027] 表1不同碳納米管含量的7055鋁合金基復(fù)合材料的基本特性
[0028]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種放電等離子體（SPS)燒結(jié)制備多壁碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，其特 征為將碳納米管與金屬粉末按照所需的質(zhì)量比均勻混合，通過SPS燒結(jié)得到致密的多壁碳 納米管增強(qiáng)金屬基塊體材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種SPS燒結(jié)制備多壁碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法， 其特征為包含以下方法步驟： (1) 采用氣相沉積法制備多壁碳納米管，或選取現(xiàn)成的多壁碳納米管商業(yè)產(chǎn)品； (2) 制備所需純金屬或合金的金屬粉末； (3) 將多壁碳納米管粉末和金屬粉末按照所需的質(zhì)量配比進(jìn)行混合，采用有機(jī)溶劑液 相超聲分散的方法將碳納米管和金屬和粉末均勾混合，超聲分散時(shí)間為30-60min，再真空 干燥l〇-24h ;也可采用球磨法進(jìn)行機(jī)械混合，轉(zhuǎn)速為200-300r/min，混合時(shí)間10-30min，無 需干燥； (4) 將混合好的碳納米管-金屬復(fù)合粉末裝入石墨模具中，進(jìn)行SPS燒結(jié)成型，燒結(jié)參 數(shù)：燒結(jié)壓力為40Mpa，電流通斷（on/off)比為4:1，升溫速率為50-100°C/min，到達(dá)最終 燒結(jié)溫度后保溫lmin，水冷降溫；最終燒結(jié)溫度根據(jù)金屬的種類確定，應(yīng)低于所用純金屬 或合金的熔點(diǎn)150_300°C。
3. 如權(quán)利要求2中所述的金屬基體可以是鋁、鎂、鈦、鐵、銅、鎳等純金屬，也可以是以 上金屬合金中的一種或多種。
4. 如權(quán)利要求2中所述的金屬粉末制備方法包括旋轉(zhuǎn)電極霧化法、機(jī)械破碎法和高能 球磨法，金屬粉末可以是球狀、片狀和不規(guī)則形狀，粒徑不大于400 ym。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種放電等離子(SPS)燒結(jié)制備多壁碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法。其特征是將碳納米管和金屬粉末進(jìn)行液相超聲分散或機(jī)械混合，然后經(jīng)SPS燒結(jié)制備塊體復(fù)合材料，其優(yōu)點(diǎn)是：制備方法簡(jiǎn)單，材料致密無孔隙，碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)20％以上并可任意、精確調(diào)控，添加物分布均勻無團(tuán)聚，材料力學(xué)性能各向同性，金屬與多壁碳納米管的界面結(jié)合良好。其方法步驟為：(1)通過氣相沉積法制備多壁碳納米管，或購買現(xiàn)成的多壁碳納米管產(chǎn)品；(2)將多壁碳納米管和金屬粉末按照所需質(zhì)量配比進(jìn)行混合和分散；(3)對(duì)混合粉體進(jìn)行SPS燒結(jié)成型。得到的金屬基復(fù)合材料力學(xué)提高，密度下降，同時(shí)兼具良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電能力，通過制備參數(shù)的調(diào)節(jié)可獲得性能的定制。
【IPC分類】C22C1-05, C22C1-10
【公開號(hào)】CN104862513
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510220526
【發(fā)明人】田 文明, 王博, 李松梅, 陳鑫, 劉建華, 于美
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月4日