CN103008654B - 金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料及制备方法，其特征是所述的复合浆料由纳米碳黑粉、纳米陶瓷粉和无水乙醇组成；其中，纳米碳黑粉占浆料质量分数的0.05%~0.15%，纳米陶瓷粉的质量分数为所加纳米碳黑粉质量分数的4~6倍，其余为无水乙醇，各组分质量分数总和为100%。本发明首次实现了制备以乙醇为介质的碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料，同时引入具有减磨作用的纳米碳黑和具有抗磨作用的纳米陶瓷，使得所制备的激光耐磨改性层具有很好的耐磨性。同时，本发明所述浆料不仅组分纯净且具有良好的分散稳定性，具有很好的使用性能和工程应用价值。

Description

金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米浆料，尤其是一种双相纳米浆料，具体地说是一种金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料及制备方法。

背景技术

近年来，一种构建介观（微纳米级）新物质的技术---微纳米颗粒复合技术，引起了国内外专家学者的重视。微纳米颗粒复合技术，是将纳米颗粒包覆于微米颗粒表面或使其弥散分布在微米颗粒中制备具有微纳协同多功能效应微纳复合粉体的技术。若将具有减磨、耐磨等特性的纳米颗粒引入微米金属粉中构建微纳粉，将大大地提高所制备材料的耐磨性。可以说，微纳米颗粒复合技术为提高金属材料的耐磨性能开辟了一个新途径。

碳黑粉体是一种平均粒径为20nm的黑色纳米粉体，具有很好的减磨特性；同时，纳米陶瓷粉体，具有极高的硬度并能有效细化材料的组织，被广泛地应用于改善金属材料的耐磨性。根据王宏宇等的专利“一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法（ZL 2007 10024996.X）”，要想实现纳米颗粒有效包覆于微米颗粒表面，需采用分散稳定的纳米浆料作为球磨介质的纳米引入方式。但是，据申请人所知，尚未有一种碳黑/陶瓷双相纳米复合浆料及其制备方法可供制备碳黑/陶瓷双相纳米增强的金属基微纳粉使用。

因此，开发一种碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料，对于制备出具有优良耐磨改性效果的碳黑/陶瓷双相纳米增强的金属基微纳粉至关重要。

发明内容

本发明的目的是针对目前尚未有一种碳黑/陶瓷双相纳米复合浆料及其制备方法可供制备碳黑/陶瓷双相纳米增强的金属基微纳粉使用的问题，发明一种金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料，同时提供一种相应的制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料，其特征是它由纳米碳黑粉、纳米陶瓷粉和无水乙醇组成；其中，纳米碳黑粉占浆料质量分数的0.05%~0.15%，纳米陶瓷粉的质量分数为所加纳米碳黑粉质量分数的4~6倍，其余为无水乙醇，各组分质量分数总和为100%。

所述的纳米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003标准检测的着色强度不低于120%，其平均粒径为14~28nm。

所述的纳米陶瓷粉为碳化硅、碳化钨和氧化铝，其平均粒径为10~50nm。

本发明的技术方案之二是：

一种金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，按照所需质量分数称取纳米碳黑粉并加入无水乙醇制备成单相纳米碳黑悬浮液，控制单相纳米碳黑悬浮液中纳米碳黑粉的质量百分数不大于1%，以保证纳米碳黑粉无沉淀；

然后，按照所需质量分数称量纳米陶瓷粉加入无水乙醇中，并将其制备成单相纳米陶瓷悬浮液；

最后，将已制成的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液进行球磨混合，球磨混合处理工艺参数为球磨转速为500转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1小时、磨球直径不大于4mm，即可获得金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料。

本发明的有益效果：

（1）本发明首次实现了制备以乙醇为介质的碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料，同时引入具有减磨作用的纳米碳黑和具有抗磨作用的纳米陶瓷，使得所制备的激光耐磨改性层具有很好的耐磨性，较单相纳米增强微纳粉所制备激光耐磨改性层有大幅提高。

（2）本发明所述浆料中，纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉具有合理的配比关系，不仅能够充分发挥两者各自的功能特性，而且能充分发挥碳黑的强吸光性，以该浆料所制备的微纳粉对激光具有高的吸收率。

（3）本发明浆料以乙醇为液体介质，不需要额外添加任何分散剂或表面活性剂，在保证浆料组分纯净的同时还具有不低于单相纳米浆料的分散稳定性，可稳定分散3个月以上不沉降。

（4）本发明通过球磨混合方法，保证了纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉在浆料中分布均匀，未见明显某一单相纳米粉局部集中现象，有利于充分发挥纳米碳黑粉和纳米陶瓷各自的功能特性，并经过大量实验研究，获得了球磨混合的最佳工艺组合。

附图说明

    图1 是采用本发明所述双相纳米复合浆料制备的微纳粉SEM形貌。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

以下是本发明的方法所制备的以乙醇为介质的碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料实例，但不仅仅限于这些实例，只要采用本发明所述方法，均可达到本发明的目的。

实施例一。

实例所用材料：市购普通袋装碳黑粉体，平均粒径18nm，着色强度为135%，碳黑粉体的加入量占浆料总质量的0.05%；市购普通袋装碳化硅粉体，平均粒径30nm，呈深绿色，其加入量占浆料总质量的0.3%，其余为无水乙醇。

先将纳米碳黑粉体进行干法球磨预处理，以打破其中原有大团聚体颗粒，再与无水乙醇进行混合并搅拌至得到无明显固液分层的碳黑浆料半成品，将搅拌后的碳黑浆料半成品置于超声设备中进行恒温超声分散，控制恒温温度为20±5℃，分散时间为30~60分钟，即可得到分散稳定的单相纳米碳黑悬浮液，无水乙醇的加入量应保证所形成的单相纳米碳黑悬浮液中的纳米碳黑粉体的质量百分比不大于1%；然后，将碳化硅粉体加入余量的无水乙醇中进行搅拌得到单相纳米碳化硅悬浮液；最后，将已制成的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米碳化硅悬浮液进行球磨混合，球磨混合处理工艺参数为球磨转速为500转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1小时、磨球直径不大于4mm，即可获得金属基微纳粉制备用碳黑和碳化硅双相纳米复合浆料。所制备而成的复合浆料呈与单相碳黑浆料类似的均匀黑色，未见明显某一单相纳米粉局部集中的现象。在制备单相纳米碳化硅悬浮液时如果搅拌效果不理想还可采用超声波分散或其它常规的分散方法进行分散，如果有沉淀现象出现，应适当添加碳化硅粉体以保证最终浆料中碳化硅粉体的含量满足要求。

实施例二。

实例所用材料：市购普通袋装碳黑粉体，其平均粒径为28nm，着色强度为120%，碳黑粉体的加入量占浆料总质量的0.1%；市购普通袋装碳化钨粉体，平均粒径10nm，呈灰黑色，其加入量占浆料总质量的0.5%，其余为无水乙醇。

先将纳米碳黑粉体进行干法球磨预处理，以打破其中原有大团聚体颗粒，再与无水乙醇进行混合并搅拌至得到无明显固液分层的碳黑浆料半成品，将搅拌后的碳黑浆料半成品置于超声设备中进行恒温超声分散，控制恒温温度为20±5℃，分散时间为30~60分钟，即可得到分散稳定的单相纳米碳黑悬浮液，无水乙醇的加入量应保证所形成的单相纳米碳黑悬浮液中的纳米碳黑粉体的质量百分比不大于1%；然后，将碳化钨粉体加入余量的无水乙醇中进行搅拌得到单相纳米碳化钨悬浮液；最后，将已制成的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米碳化钨悬浮液进行球磨混合，球磨混合处理工艺参数为球磨转速为500转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1小时、磨球直径不大于4mm，即可获得金属基微纳粉制备用碳黑和碳化钨双相纳米复合浆料。所制得的复合浆料呈与单相碳黑浆料类似的均匀黑色，未见明显某一单相纳米粉局部集中的现象。采用该复合浆料所制备的碳黑/陶瓷双相纳米增强的金属基微纳粉达到了较为理想的品质。在制备单相纳米碳化钨悬浮液时如果搅拌效果不理想还可采用超声波分散或其它常规的制备方法。

实施例三。

实例所用材料：市购普通袋装碳黑粉体，平均粒径14nm，着色强度为140%，碳黑粉体的加入量占浆料总质量的0.15%；市购普通袋装氧化铝粉体，平均粒径50nm，呈白色，其加入量占浆料总质量的0.6%，其余为无水乙醇。

先将纳米碳黑粉体进行干法球磨预处理，以打破其中原有大团聚体颗粒，再与无水乙醇进行混合并搅拌至得到无明显固液分层的碳黑浆料半成品，将搅拌后的碳黑浆料半成品置于超声设备中进行恒温超声分散，控制恒温温度为20±5℃，分散时间为30~60分钟，即可得到分散稳定的单相纳米碳黑悬浮液，无水乙醇的加入量应保证所形成的单相纳米碳黑悬浮液中的纳米碳黑粉体的质量百分比不大于1%；然后，将氧化铝粉体加入余量的无水乙醇中进行搅拌得到单相纳米氧化铝悬浮液；最后，将已制成的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米氧化铝悬浮液进行球磨混合，球磨混合处理工艺参数为球磨转速为500转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1小时、磨球直径不大于4mm，即可获得金属基微纳粉制备用碳黑和氧化铝双相纳米复合浆料。所制备而成的复合浆料呈与单相碳黑浆料类似的均匀黑色，未见明显某一单相纳米粉局部集中的现象。采用该复合浆料所制备的碳黑/陶瓷双相纳米增强的金属基微纳粉达到了较为理想的品质。同样，在制备单相纳米氧化铝悬浮液时如果搅拌效果不理想还可采用超声波分散或其它常规的分散方法进行分散，如果有沉淀现象出现，应适当添加氧化铝粉体以保证最终浆料中氧化铝粉体的含量满足要求。

以下是本发明的对比试验方法。

一、采用本发明的复合浆料制备双相纳米增强的微纳粉。

步骤1，按本发明的方法制备获得混合均匀的碳黑/碳化硅（或其它同类的纳米陶瓷粉）双相纳米悬浮液；

步骤2，将市购Al-Si合金微米粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米金属粉；

步骤3，将预处理后的微米金属粉，加入已混合均匀的碳黑/碳化硅双相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得碳黑/碳化硅双相纳米和微米金属复合的微纳粉浆料；

步骤4，将微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得纳米碳黑和纳米碳化硅协同增强的金属基微纳粉。

采用上述双相纳米复合浆料所制备的碳黑和碳化硅双相纳米增强的微纳粉，达到了较为理想的品质。如图1所示，在所制备的微纳粉中，纳米碳黑和纳米碳化硅呈高分散性特征均匀包覆于微米颗粒表面；同时，采用该微纳粉进行激光焊接再制造存在贯穿性裂纹的0.6mm厚薄壁件，在其他工艺参数不变的情况，获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度为4mm/s。

二、制备仅含纳米碳黑的微纳粉。

首先，参照本发明的方法将纳米碳黑与无水乙醇混合制成碳黑单相纳米悬浮液；

其次，将市购Al-Si合金微米粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米金属粉；

第三，将预处理后的微米金属粉，加入碳黑单相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得碳黑单相纳米和微米金属复合的微纳粉浆料；

第四，将微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得碳黑单相纳米增强的金属基微纳粉。

采用上述所制备的碳黑单相纳米增强的金属基微纳粉，进行激光焊接再制造存在贯穿性裂纹的0.6mm厚薄壁件，在其他工艺参数不变的情况，获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度为3mm/s。

三、制备仅含纳米碳化硅的微纳粉。

首先，参照本发明的方法将纳米碳化硅与无水乙醇混合制成碳化硅单相纳米悬浮液；

其次，将市购Al-Si合金微米粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米金属粉；

第三，将预处理后的微米金属粉，加入碳化硅单相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得碳化硅单相纳米和微米金属复合的微纳粉浆料；

第四，将微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得碳化硅单相纳米增强的微纳粉。

采用上述所制备的碳化硅单相纳米增强的金属基微纳粉，进行激光焊接再制造存在贯穿性裂纹的0.6mm厚薄壁件，在其他工艺参数不变的情况，获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度为2.5mm/s。

以上三种金属基微纳粉激光耐磨改性层的摩擦磨损性能，如表1所示。可见，采用本发明复合浆料所制备的碳黑和碳化硅双相纳米增强微纳粉，由于同时引入具有减磨作用的纳米碳黑和具有抗磨作用的纳米碳化硅，使得所制备的激光耐磨改性层具有很好的耐磨性，较单相纳米增强微纳粉所制备的激光耐磨改性层有大幅提高。

表1

所采用的粉体	体积磨损率	表面显微硬度	摩擦系数
				用本发明所述微纳粉	1.8×10-3 cm3/Nm	332 HV0.1	0.33
用碳化硅单相浆料制备的微纳粉	2.4×10-3 cm3/Nm	318 HV0.1	0.51
				用碳黑单相浆料制备的微纳钛粉	5.3×10-3 cm3/Nm	205 HV0.1	0.42

此外，申请人用钛基、铁基和镍基微米金属粉进行了相同的试验，数据与前述实验数据具有很好的趋同性。

上述描述和说明只是表达了本发明的技术构思和特点及其具有代表性的实施案例，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明构思实质所做的等效变化或者修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种金属基微纳粉制备用碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料，其特征是它由纳米碳黑粉、纳米陶瓷粉和无水乙醇组成；其中，纳米碳黑粉占浆料质量分数的0.05%~0.15%，纳米陶瓷粉的质量分数为所加纳米碳黑粉质量分数的4~6倍，其余为无水乙醇，各组分质量分数总和为100%；所述纳米陶瓷粉的平均粒径为10~50nm。

2.根据权利要求1所述的碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料，其特征是所述的纳米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003标准检测的着色强度不低于120%，其平均粒径为14~28nm。

3.根据权利要求1所述的碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料，其特征是所述的纳米陶瓷粉为碳化硅、碳化钨和氧化铝。

4.一种权利要求1所述碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，按照所需质量分数称取纳米碳黑粉并加入无水乙醇制备成单相纳米碳黑悬浮液，控制单相纳米碳黑悬浮液中纳米碳黑粉的质量百分数不大于1%，以保证纳米碳黑粉无沉淀；

然后，按照所需质量分数称量纳米陶瓷粉加入无水乙醇中，并将其制备成单相纳米陶瓷悬浮液；

最后，将已制成的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液进行球磨混合，球磨混合处理工艺参数为球磨转速为500转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1小时、磨球直径不大于4mm，即可获得以乙醇为介质的碳黑和陶瓷双相纳米复合浆料。