碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法，尤其涉及一種碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管(Carbon Nanotubes，CNTs)是由石墨片層卷曲而成，是一種結(jié)構(gòu)中空的管狀一維納米材料，具有密度小、強(qiáng)度高、長(zhǎng)徑比大、導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)低、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿腐蝕等優(yōu)良性能，可以有效地提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，如抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、抗老化強(qiáng)度及彈性等，此外還具有抗疲勞性、熱穩(wěn)定性等，因此，被視為理想的復(fù)合材料增強(qiáng)體。CNTs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料因兼有金屬和CNTs的特點(diǎn)而具有獨(dú)特的力學(xué)和物理性能，在航空航天器、汽車制造、電子儀器等工業(yè)領(lǐng)有廣闊的應(yīng)用前景，成為全球高科技產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。
[0003]目前CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要制備方法有粉末冶金法、擠壓鑄造、無壓浸滲法、原位合成法和攪拌鑄造法等。粉末冶金法是將CNTs與金屬粉均勻攪拌混合，然后進(jìn)行球磨、干燥、壓實(shí)和燒結(jié)等，但該方法生產(chǎn)成本高，且球磨過程中易造成CNTs結(jié)構(gòu)的破壞，結(jié)構(gòu)被破壞的CNTs在高溫?zé)Y(jié)時(shí)易與金屬基體發(fā)生反應(yīng)生成有害相，如與鋁基體生產(chǎn)Al4C3,降低了復(fù)合材料的性能。日本的Hisao Uozumi等人于2007年采用擠壓鑄造的方法，以99.99%的高純鋁為基體成功制備出了 CNTs體積含量達(dá)到25%的復(fù)合材料，但未見到后續(xù)相關(guān)應(yīng)用方面的報(bào)道。丁志鵬等采用無壓浸滲的方法，將不同比例混合均勻的粉體壓制成預(yù)制件，然后在毛細(xì)管力作用下將熔融金屬液滲入預(yù)制件，與其它復(fù)合工藝相比，無壓滲透具有工藝簡(jiǎn)單、所制備的材料致密度高、可以近終成型等優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)效率低，不利于生產(chǎn)大尺寸構(gòu)件。原位復(fù)合技術(shù)作為一種新的復(fù)合技術(shù)，主要是采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ㄔ诮饘倩咨线_(dá)到一種化學(xué)或者非化學(xué)的反應(yīng)制備出增強(qiáng)相，在CNTs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備上主要以化學(xué)氣相沉積法為主，技術(shù)生產(chǎn)成本高，不利于生產(chǎn)大尺寸構(gòu)件。
[0004]因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，是具有意義的技術(shù)課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，從而提供一種碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，能夠適合于工業(yè)化半連續(xù)鑄造生產(chǎn)，同時(shí)避免CNTs在基體中大量團(tuán)聚成弱相，并減少氣孔等缺陷。該方法工藝簡(jiǎn)單，易于操作，適合生產(chǎn)大尺寸構(gòu)件。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:1、碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
Cl)添加CNTs料:在鋁箔基底上定向生長(zhǎng)CNTs ；
(2)在CNTs表面連續(xù)電化學(xué)沉積Ni或Cu金屬層對(duì)碳納米管進(jìn)行表面改性，獲得包覆鋁和Ni/Cu金屬層的無團(tuán)聚或纏繞的CNTs箔； (3)將步驟(2)獲得的CNTs箔按比例添加到攪拌爐內(nèi)，備用；
(4)在熔煉中爐進(jìn)行鋁合金基體的完全熔化和精煉，之后轉(zhuǎn)注到攪拌爐內(nèi)；
(5)在攪拌爐外壁設(shè)置電磁線圈，通三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在熔體內(nèi)靠近爐壁處設(shè)置上下高度可調(diào)的超聲桿產(chǎn)生超聲場(chǎng)，通過電磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)對(duì)攪拌爐內(nèi)的鋁合金基體和CNTs箔進(jìn)行耦合攪拌，獲得CNTs增強(qiáng)鋁基熔體；
(6)將CNTs增強(qiáng)鋁合金熔體轉(zhuǎn)注到鑄造平臺(tái)，通過半連鑄方式獲得CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠。
[0007]進(jìn)一步地，上述碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其中:所述步驟(I)中采用浮游催化劑化學(xué)氣相沉積法獲得鋁箔帶上連續(xù)生長(zhǎng)的定向CNTs，其直徑5?25nm，長(zhǎng)度為 I ?600um。
[0008]進(jìn)進(jìn)一步地，上述碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其中:所述步驟(2)中，選擇以Ni或Cu金屬型硫酸鹽為主的電解液，對(duì)定向CNTs進(jìn)行表面電化學(xué)沉積處理。
[0009]進(jìn)進(jìn)一步地，上述碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其中:所述步驟(3)中，CNTs箔的加入量為待增強(qiáng)改性的鋁合金基體重量的0.5-2.0%。
[0010]更進(jìn)一步地，上述碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其中:其特征在于:所述步驟(4)中鋁合金熔液溫度控制在710?760°C。
[0011]更進(jìn)一步地，上述碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其中:所述步驟(5)中電磁場(chǎng)頻率為10?100Hz，安匝數(shù)為2000?5000AN ;超聲波功率為250?2000W，頻率為10 ?50KHzo
[0012]再進(jìn)一步地，上述碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其中:所述步驟(5)中，攪拌過程中通氬氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)熔體液面。
[0013]本發(fā)明突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在:(I)增強(qiáng)相CNTs狀態(tài)是包覆鋁和Ni/Cu金屬層的無團(tuán)聚或纏繞的CNTs箔帶或桿。浮游催化劑化學(xué)氣相沉積法獲得鋁箔帶上連續(xù)生長(zhǎng)的定向CNTs，其本身無團(tuán)聚或纏繞；并在其表面連續(xù)電化學(xué)沉積Ni或Cu金屬層對(duì)碳納米管進(jìn)行表面改性，提高其在金屬熔體中的潤(rùn)濕性能，同時(shí)改變其比重，保了添加CNTs在外場(chǎng)攪拌下能夠較短時(shí)間獲得分散均勻效果。
[0014](2)攪拌爐中載著增強(qiáng)相的熔體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)耦合作用下攪拌:三相電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)在鋁熔體介質(zhì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與交變磁場(chǎng)相互作用形成的電磁體力起到周向攪拌熔體作用；高能超聲波在熔體介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生周期性應(yīng)力和聲壓，產(chǎn)生聲空化和聲流效應(yīng)等，可以在極短時(shí)間內(nèi)顯著改善微細(xì)顆粒與熔體的潤(rùn)濕性，減少熔體中氣孔間隙，并迫使其在熔體中均勻分散，同時(shí)超聲桿在熔體中上下運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大了超聲場(chǎng)的作用范圍，有效減少了攪拌爐內(nèi)壁粘附CNTs增強(qiáng)相。
【附圖說明】
[0015]圖1碳納米增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備流程圖；
圖2利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與超聲場(chǎng)耦合攪拌示意圖；
圖3攪拌爐外電磁線圈布置示意圖。
[0016]圖中，各附圖標(biāo)記的含義為:1 一浸沒式加熱器，2—攪拌爐內(nèi)襯，3—超聲桿，4一測(cè)溫電偶，5—保護(hù)氣管，6—電磁線圈，7—聲流場(chǎng)攪拌熔體，8—旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌熔體。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳述，以使本發(fā)明技術(shù)方案更易于理解和掌握。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法采用以下步驟:(I)添加CNTs料:在鋁箔基底上定向生長(zhǎng)CNTs ; (2)在CNTs表面連續(xù)電化學(xué)沉積Ni或Cu金屬層對(duì)碳納米管進(jìn)行表面改性，提高其在金屬熔體中的潤(rùn)濕性能，同時(shí)其所占比重，獲得包覆鋁和Ni/Cu金屬層的無團(tuán)聚或纏繞的CNTs箔；(3)將步驟(2)獲得的CNTs箔按比例添加到攪拌爐內(nèi)，備用；(4)在熔煉中爐進(jìn)行鋁合金基體的完全熔化和精煉，之后轉(zhuǎn)注到攪拌爐內(nèi)；(5)在攪拌爐外壁設(shè)置電磁線圈，通三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在熔體內(nèi)靠近爐壁處設(shè)置上下高度可調(diào)的超聲桿產(chǎn)生超聲場(chǎng)，電磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)耦合攪拌CNTs增強(qiáng)鋁基熔體，攪拌過程中可通氬氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)熔體液面，用于減少熔體氧化；(6)將電磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)耦合攪拌均勻的CNTs增強(qiáng)鋁合金熔體轉(zhuǎn)注到鑄造平臺(tái)，通過半連鑄方式獲得CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠。
[0019]上述的碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法，步驟(I)中采用浮游催化劑化學(xué)氣相沉積法獲得鋁箔帶上連續(xù)生長(zhǎng)的定向CNTs，其直徑5?25nm，長(zhǎng)度為I?600um ;步驟(2)中，選擇以Ni或Cu金屬型硫酸鹽為主的電解液，對(duì)定向CNTs進(jìn)行表面電化學(xué)