CN104745853A - 一种泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，该方法将铝胚料压延成箔，再将纳米碳、发泡剂浆料涂于铝箔上，经过干燥，叠片或卷绕，反复三维轧制、高温发泡，即得泡沫铝/纳米碳均匀混合的复合材料。本发明的制备方法有效地解决了现有技术纳米碳材料在铝基体中难以均匀分散的问题，发泡均匀，孔隙率可控，具有工艺简单，易规模化生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及泡沫铝纳米碳复合材料合成领域，尤其是涉及泡沫铝/碳纳米管、泡沫铝/富勒烯、泡沫铝/石墨烯复合材料、泡沫铝/氧化石墨烯的制备方法。
背景技术
泡沫铝是一种由铝基体和气孔组成的新型多孔复合材料，属于多孔材料的一个分支，兼具功能和结构双重属性，用途广泛。纳米相增强铝基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，具有密度小、耐腐蚀和加工性能好等优点。碳纳米管作为一种一维纳米增强、增韧材料，可以极大的提高铝的强度、硬度、热稳定性、耐腐蚀性、导电、导热性能以及摩擦性能。
目前制备泡沫铝复合材料的方法主要有：粉末冶金烧结法、熔体发泡法、颗粒铸造法、包铸法、颗粒渗流法、气泡法。但是这些方法对于制备泡沫铝/纳米碳复合材料均有较大的局限性：1)铝粉、发泡剂共磨时，由于铝粉、发泡剂均为易燃、易爆粉体，球磨转速需要控制在一定范围，且容易结块，从而导致混料的不均匀；2)纳米碳与铝在热熔融加工过程中，纳米碳表面较大的张力，与熔融铝不浸润，无法与铝基体良好的结合，从而不能有效的提高铝合金的性能。另外，泡沫铝在应用中需要加工成各种复杂的形状，但存在明显的强度问题，不能扩大其应用范围。
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明由此而来。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的泡沫铝/纳米碳复合材料的制备过程中存在的纳米碳、发泡剂与铝基体分散性不好、结合性差、发泡不均匀、材料强度低等问题，提供一种纳米碳和泡沫铝材料结合力强的制备方法。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：一种泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)采用铝胚料经过压延得到铝箔；
(2)将纳米碳、发泡剂制备成浆料，利用涂布机涂覆至铝箔上并进行干燥处理；
(3)利用叠片机或卷绕机，将涂有纳米碳、发泡剂的铝箔进折叠或卷绕；
(4)在一定轧制温度下，对步骤(3)所得材料进行三维反复轧制，使得纳米碳、发泡剂三维均匀分布于铝基材中；
(5)在一定温度下，将步骤(4)所得材料进行高温发泡，获得泡沫铝/纳米碳复合材料。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(1)中的铝箔厚度为0.1μm-1000μm，优选为0.1-100μm，进一步优选为1-25μm的铝箔。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(2)中，纳米碳的涂层厚度为0.01-100μm，优选为0.1-20μm。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(2)中，将纳米碳、发泡剂在醇类、酮类易挥发液体中均匀分散液得到浆料。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(4)中，三维反复轧制为对涂有纳米碳的铝箔进行叠片后，沿垂直堆垛箔面的二维方向压延，然后叠片、卷绕，沿轴方向进行轧制，然后按照此工序反复进行N次，N≥2。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(4)中，轧制温度为≤500℃。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(5)中，高温发泡温度为660-800℃，发泡时间为10-120min。
本发明的第二方面所要解决的技术问题，是提供一种前述方法得到的泡沫铝/纳米碳复合材料。
本发明的一优选技术方案中，泡沫铝/纳米碳复合材料中的纳米碳含量为0.01％-20wt％，优选添加量为10％，可以使得复合材料达到较大的强度。
本发明的一优选技术方案中，泡沫铝/纳米碳复合材料的孔隙率为30％-98％。
本发明的一优选技术方案中，泡沫铝/纳米碳复合材料中的纳米碳选自碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或两种以上的组合；为了进一步增加与基体的相亲性，也可以选自镀镍、铜、锌、金、银的碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或两种以上的组合。
本发明的一优选技术方案中，泡沫铝/纳米碳复合材料中的发泡剂选自氢化钛、氢化锆、氢化钙、氢化镁、氢化铒中的一种或两种以上的组合。
本发明中，将纳米碳、发泡剂在醇类或酮类易挥发溶剂中均匀分散液得到浆料，其中的醇类溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇；所述的酮类溶剂包括但不限于丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮等。所述的溶液中可以加入分散剂、稳定剂以增强浆料中纳米碳和发泡剂的分散性及稳定性。
本发明提出一种泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，该方法将铝胚料压延成铝箔，用纳米碳、发泡剂浆料涂覆在铝箔表面，经过干燥、叠片或卷绕，反复三维轧制，高温发泡得到泡沫铝/纳米碳复合材料。在涂覆过程中，经过预分散的纳米碳、发泡剂在铝箔上分布均匀，二者比例可控；通过叠片将铝/纳米碳复合箔复数层叠。
在轧制时，温度控制在500℃以下，可以避免发泡剂的分解，同时可以保证轧制后材料的高密度。在轧制过程中，纳米碳、发泡剂能够逐渐压入上、下层的铝箔基材中，上、下层箔基材会紧密结合、互相渗透，再经过叠片、卷绕、三维反复轧制，再经过高温发泡，形成纳米碳在泡沫铝基体内三维均匀分布的复合结构，因此所获得复合材料中纳米碳和铝材料结合力强，可以显著增强泡沫铝材料的强度、硬度、热稳定性、耐腐蚀性、导电、导热性能以及摩擦性能。
本发明的方法简单易行，可控性好，制备得到的复合材料中纳米碳与泡沫铝均匀复合，孔隙可控，在基体中呈现出三维分布，极大的增加了泡沫铝的力学性能和导热、导电性能，适用于大规模生产。
附图说明
附图1为本发明制备方法的实施例1复合材料的涂布过程示意图；
附图2为本发明制备方法的实施例1复合材料的三维轧制示意图；
附图3为本发明制备方法的一实施例复合材料的高温发泡示意图；
附图4为本发明实施例1制备得到的泡沫铝/碳纳米管复合材料的力学性能图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1
将铝胚料经过轧制，得到厚度为5μm的铝箔；在碳纳米管中加入分散剂、稳定剂、乙醇经过搅拌，再加入氢化钛搅拌、砂磨获得碳纳米管浓度为5wt％，氢化钛浓度为1wt％的浆料；在涂布机上，将碳纳米管、氢化钛浆料涂至铝箔上，同时控制厚度，在120℃进行干燥处理，即得复合铝箔，如图1所示；通过叠片机，将涂碳纳米管、氢化钛的铝箔进行叠片，在500℃下，将叠片进行反复三维轧制，包括沿垂直堆垛箔面的二维方向半固态的压延，然后叠片、卷绕，沿轴方向对复合箔进行轧制，如图2所示；在660-800℃下，高温发泡1h，最终得到了碳纳米管三维分布均匀、气孔均匀的泡沫铝/碳纳米管复合材料，如图3所示。图4为本实施例泡沫铝/碳纳米管的力学性能图，显示随着碳纳米管添加量的逐渐增多，复合材料的拉伸强度也逐渐增大，其中在添加量达到10％可达到115MPa。
实施例2
将铝胚料经过轧制，得到厚度为5μm的铝箔；为了增加碳纳米管与铝基材的相亲性，使用镀镍碳纳米管，然后加入分散剂、稳定剂、乙醇经过搅拌，再加入氢化钛搅拌、砂磨获得碳纳米管浓度为5wt％，氢化钛浓度为1wt％的浆料；在涂布机上，将碳纳米管、氢化钛浆料涂至铝箔上，同时控制厚度，在120℃进行干燥处理，即得复合铝箔；通过叠片机，将涂碳纳米管、氢化钛的铝箔进行叠片，在500℃下，将叠片进行反复三维轧制，包括沿垂直堆垛箔面的二维方向半固态的压延，然后叠片、卷绕，沿轴方向对复合箔进行轧制；在660-800℃下，高温发泡1h，最终得到了碳纳米管三维分布均匀、气孔均匀的泡沫铝/碳纳米管复合材料。
实施例3
将铝胚料经过轧制，得到厚度为25μm的铝箔；使用镀镍碳纳米管，然后加入分散剂、稳定剂、乙醇经过搅拌，再加入氢化钛搅拌、砂磨获得碳纳米管浓度为9wt％，氢化钛浓度为1wt％的浆料；在涂布机上，将碳纳米管、氢化锆浆料涂至铝箔上，同时控制厚度，在120℃进行干燥处理，即得复合铝箔；通过叠片机，将涂碳纳米管、氢化钛的铝箔进行叠片，在400℃，将叠片进行反复三维轧制，包括沿垂直堆垛箔面的二维方向半固态的压延，然后叠片、卷绕，沿轴方向对复合箔进行轧制；在660℃下，高温发泡1.5h，最终得到了碳纳米管三维分布均匀、气孔均匀的泡沫铝/碳纳米管复合材料。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用铝胚料经过压延得到铝箔；
(2)将纳米碳、发泡剂制备成浆料，利用涂布机涂覆至铝箔上并进行干燥处理；
(3)利用叠片机或卷绕机，将涂有纳米碳、发泡剂的铝箔进折叠或卷绕；
(4)在一定轧制温度下，对步骤(3)所得材料进行三维反复轧制，使得纳米碳、发泡剂三维均匀分布于铝基材中；
(5)在一定温度下，将步骤(4)所得材料进行高温发泡，获得泡沫铝/纳米碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，铝箔厚度为0.1μm-1000μm。
3.根据权利要求1所述的泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将纳米碳、发泡剂在醇类、酮类易挥发液体中均匀分散液得到浆料；且纳米碳的涂层厚度为0.01-100μm。
4.根据权利要求1所述的泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，三维反复轧制为对于涂有纳米碳的铝箔进行叠片后，沿垂直堆垛箔面的二维方向压延，然后叠片、卷绕，沿轴方向进行轧制，然后按照此工序反复进行N次，N≥2。
5.根据权利要求1所述的泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，轧制温度为≤500℃。
6.根据权利要求1所述的泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，高温发泡温度为660-800℃，发泡时间为10-120min。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的泡沫铝/纳米碳复合材料。
8.根据权利要求7所述的泡沫铝/纳米碳复合材料，其特征在于，泡沫铝/纳米碳复合材料中的纳米碳含量为0.01％-20wt％。
9.根据权利要求7所述的泡沫铝/纳米碳复合材料，其特征在于，泡沫铝/纳米碳复合材料的孔隙率为30％-98％。
10.根据权利要求7所述的泡沫铝/纳米碳复合材料，其特征在于，泡沫铝/纳米碳复合材料中的纳米碳选自碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或两种以上的组合；或者选自镀镍、铜、锌、金、银的碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或两种以上的组合。
11.根据权利要求7所述的泡沫铝/纳米碳复合材料，其特征在于，泡沫铝/纳米碳复合材料中的发泡剂选自氢化钛、氢化锆、氢化钙、氢化镁、氢化铒中的一种或两种以上的组合。
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