CN105154724A

CN105154724A - 一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN105154724A
Application number: CN201510551054.1A
Authority: CN
Inventors: 刘莉; 王爽; 邱晶; 刘晓东; 黄明明
Original assignee: Suzhou Netshape Composite Materials Co Ltd
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: CN105154724B

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法，该复合材料由以下质量百分比的组分组成：碳纳米管4.2%～10.0%，碳化硅4.5%～5.4%，锌0.8%～2.1%，铬1.0%～2.2%，钛2.2%～4.5%，铅0.3%～1.5%，银0.5%～1.0%，三氧化二钇2.3%～6.4%，余量为铝。制备方法：a、氢氧化钾微波活化碳纳米管；b、机械球磨混料机均匀混合；c、烧结即得复合材料。本发明制备的碳纳米管增强铝基复合材料的布氏硬度、弹性模量、抗拉强度高，综合性能良好，工艺可靠高效。

Description

一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属复合材料领域，尤其涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纳米管(Carbonnanotubes，CNTs)是1991年被日本NEC公司科学家饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下所发现，作为一维碳族材料，它由单层或多层石墨片层弯曲而成，类似于中空圆筒结构，密度只有钢的1／6，质量轻、长径比极大、强度和模量高，具有优异的机械性能、电学性能、热力学性能和物理化学性能，因此其潜在的工业应用价值引起了广泛的关注。同时CNTs也被视为理想的复合材料增强体，广泛应用于高分子、陶瓷和金属复合材料当中。

铝合金由于密度小、强度高、塑性好等特性，在国民经济和航空航天、国防军工等高新技术领域有非常广泛的应用。随着世界各国对节能减排、环境污染问题的日益重视，对铝合金的力学性能提出了更高的要求。

金属基复合材料(Metalmatrixcomposites，MMC)是以金属或合金相为基体，颗粒晶须、短纤维、连续纤维为强化相的一种材料。它具有很强的可设计性自由度，通过合理选择基体合金、增强相种类以及制备工艺和参数，可实现良好的复合效应，从而得到性能优异的复合材料。CNTs超强的力学性能可以极大改善复合材料的强度和韧性。碳纳米管增强金属基复合材料(CNTs／MMC)是最近几年来迅速发展起来的新型材料，具有优良的理化和力学性能。

CNTs／A1基复合材料具有高比强度、耐磨耐腐蚀耐高温、轻质稳定、导电导热性能好和热膨胀系数低等优点，已经成为航空航天及其他尖端技术领域不可缺少的高性能材料。随着科技的不断发展对材料性能要求越来越高，需要更多的性能优良的新型铝基复合材料来满足现代工业的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种布氏硬度、弹性模量及抗拉强度高的碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法。

本发明涉及的一种碳纳米管增强铝基复合材料由以下质量百分比的组分组成：碳纳米管4.2%～10.0%，碳化硅4.5%～5.4%，锌0.8%～2.1%，铬1.0%～2.2%，钛2.2%～4.5%，铅0.3%～1.5%，银0.5%～1.0%，三氧化二钇2.3%～6.4%，余量为铝。

所述的碳纳米管粒度为10nm～20nm，碳化硅粒度为30μm～50μm，锌粒度为5μm～20μm，铬粒度为50μm～100μm，钛粒度为15μm～60μm，铅粒度为50μm～80μm，银粒度为20nm～50nm，三氧化二钇粒度为0.5μm～1.0μm，铝粒度为20μm～30μm。

作为对发明的进一步改进，碳纳米管增强铝基复合材料由以下质量百分比的组分组成：碳纳米管6.6%～9.0%，碳化硅4.8%～5.0%，锌1.2%～1.8%，铬1.4%～2.0%，钛3.0%～4.0%，铅0.6%～1.0%，银0.6%～0.8%，三氧化二钇4.0%～5.0%，余量为铝。

作为对发明的更进一步改进，碳纳米管增强铝基复合材料由以下质量百分比的组分组成：碳纳米管8.2%，碳化硅4.9%，锌1.6%，铬1.8%，钛3.5%，铅0.8%，银0.7%，三氧化二钇4.5%，余量为铝。

一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将碳纳米管放入质量浓度为20%的氢氧化钾溶液中，80℃下微波搅拌反应10min～40min，过滤，滤渣用蒸馏水冲洗至中性，放入烘箱中100℃烘干，得到活化后的碳纳米管，备用；

（2）按质量百分比称取碳化硅、锌、铬、钛、铅、银、三氧化二钇、铝及活化后的碳纳米管，过200目筛，用机械球磨混料机均匀混合，形成均匀的混合粉末，备用；

（3）将得到的混合粉末于压力为14.0MPa～15.5MPa、温度为1200℃～1350℃的条件下烧结30min～50min，即得到碳纳米管增强铝基复合材料。

作为对发明的进一步改进，步骤（1）中所述的微波搅拌反应时间为25min。

作为对发明的进一步改进，步骤（3）中所述的压力为14.8MPa，温度为1260℃。

本发明具有以下优点：a．本发明将碳纳米管用氢氧化钾溶液在微波条件下活化，缩短了碳纳米管活化时间，并且活化后的碳纳米管实现了与铝合金的界面均匀混合，使制备的复合材料复合度进一步增加，力学性能更加优异；b．加入的稀土金属氧化物三氧化二钇在冶炼过程中将优先吸附于金属铝的晶界上，降低其界面能，增加界面的黏附功，减小润湿角，提高金属铝的润湿性，从而改善复合材料的组织，提高复合材料的性能；c．本发明制备方法适用范围广，节能省时，制备的碳纳米管增强铝基复合材料的布氏硬度、弹性模量和抗拉强度高，该复合材料综合性能良好，工艺可靠高效。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细介绍，但不局限于此。

实施例1

碳纳米管增强铝基复合材料，由以下质量百分比的组分组成：粒度10nm～20nm的碳纳米管4.2%，粒度为30μm～50μm的碳化硅4.5%，粒度为5μm～20μm的锌0.8%，粒度为50μm～100μm的铬1.0%，粒度为15μm～60μm的钛2.2%，粒度为50μm～80μm的铅0.3%，粒度为20nm～50nm的银0.5%，粒度为0.5μm～1.0μm的三氧化二钇2.3%，余量为粒度为20μm～30μm的铝。

上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将碳纳米管放入质量浓度为20%的氢氧化钾溶液中，80℃下微波搅拌反应10min，过滤，滤渣用蒸馏水冲洗至中性，放入烘箱中100℃烘干，得到活化后的碳纳米管，备用；

（3）将得到的混合粉末于压力为14.0MPa、温度为1200℃的条件下烧结30min～50min，即得到碳纳米管增强铝基复合材料。

实施例2

碳纳米管增强铝基复合材料，由以下质量百分比的物质组成：粒度10nm～20nm的碳纳米管10.0%，粒度为30μm～50μm的碳化硅5.4%，粒度为5μm～20μm的锌2.1%，粒度为50μm～100μm的铬2.2%，粒度为15μm～60μm的钛4.5%，粒度为50μm～80μm的铅1.5%，粒度为20nm～50nm的银1.0%，粒度为0.5μm～1.0μm的三氧化二钇6.4%，余量为粒度为20μm～30μm的铝。

（1）将碳纳米管放入质量浓度为20%的氢氧化钾溶液中，80℃下微波搅拌反应40min，过滤，滤渣用蒸馏水冲洗至中性，放入烘箱中100℃烘干，得到活化后的碳纳米管，备用；

（3）将得到的混合粉末于压力为15.5MPa、温度为1350℃的条件下烧结30min～50min，即得到碳纳米管增强铝基复合材料。

实施例3

碳纳米管增强铝基复合材料，由以下质量百分比的组分组成：粒度10nm～20nm的碳纳米管7.5%，粒度为30μm～50μm的碳化硅5.0%，粒度为5μm～20μm的锌1.8%，粒度为50μm～100μm的铬1.4%，粒度为15μm～60μm的钛3.2%，粒度为50μm～80μm的铅1.2%，粒度为20nm～50nm的银0.8%，粒度为0.5μm～1.0μm的三氧化二钇3.5%，余量为粒度为20μm～30μm的铝。

（1）将碳纳米管放入质量浓度为20%的氢氧化钾溶液中，80℃下微波搅拌反应30min，过滤，滤渣用蒸馏水冲洗至中性，放入烘箱中100℃烘干，得到活化后的碳纳米管，备用；

（3）将得到的混合粉末于压力为15.0MPa、温度为1320℃的条件下烧结30min～50min，即得到碳纳米管增强铝基复合材料。

实施例4

碳纳米管增强铝基复合材料，由以下质量百分比的组分组成：粒度10nm～20nm的碳纳米管8.2%，粒度为30μm～50μm的碳化硅4.9%，粒度为5μm～20μm的锌1.6%，粒度为50μm～100μm的铬1.8%，粒度为15μm～60μm的钛3.5%，粒度为50μm～80μm的铅0.8%，粒度为20nm～50nm的银0.7%，粒度为0.5μm～1.0μm的三氧化二钇4.5%，余量为粒度为20μm～30μm的铝。

（1）将碳纳米管放入质量浓度为20%的氢氧化钾溶液中，80℃下微波搅拌反应25min，过滤，滤渣用蒸馏水冲洗至中性，放入烘箱中100℃烘干，得到活化后的碳纳米管，备用；

（3）将得到的混合粉末于压力为14.8MPa、温度为1260℃的条件下烧结30min～50min，即得到碳纳米管增强铝基复合材料。

将上述实施例制备的碳纳米管增强铝基复合材料进行性能测试，分别测试其布氏硬度（加载重量为500kg，压头为硬质合金钢球，直径为10mm，保压30s）、弹性模量及抗拉强度，测试结果如表1所示：

表1

项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					布氏硬度（MPa）	96.2	90.8	92.3	98.5
弹性模量（GPa）	114	126	118	124
					抗拉强度（MPa）	706	674	685	754

由表1测试结果可知，以上实施例制备的碳纳米管增强铝基复合材料的布氏硬度达到98.5MPa，弹性模量达到126GPa，抗拉强度达到754MPa，制备的碳纳米管增强铝基复合材料布氏硬度、弹性模量和抗拉强度较高。

本发明加入活化的碳纳米管和稀土金属氧化物三氧化二钇使材料的复合度增大，促进了金属与碳纳米管间的界面结合，最大限度的发挥碳纳米管复合强化和合金强化效果，得到了力学性能优异的碳纳米管增强铝基复合材料。

Claims

1.一种碳纳米管增强铝基复合材料，其特征在于由以下质量百分比的组分组成：碳纳米管4.2%～10.0%，碳化硅4.5%～5.4%，锌0.8%～2.1%，铬1.0%～2.2%，钛2.2%～4.5%，铅0.3%～1.5%，银0.5%～1.0%，三氧化二钇2.3%～6.4%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管增强铝基复合材料，其特征在于所述的碳纳米管粒度为10nm～20nm，碳化硅粒度为30μm～50μm，锌粒度为5μm～20μm，铬粒度为50μm～100μm，钛粒度为15μm～60μm，铅粒度为50μm～80μm，银粒度为20nm～50nm，三氧化二钇粒度为0.5μm～1.0μm，铝粒度为20μm～30μm。

3.根据权利要求1所述的碳纳米管增强铝基复合材料，其特征在于由以下质量百分比的组分组成：碳纳米管6.6%～9.0%，碳化硅4.8%～5.0%，锌1.2%～1.8%，铬1.4%～2.0%，钛3.0%～4.0%，铅0.6%～1.0%，银0.6%～0.8%，三氧化二钇4.0%～5.0%，余量为铝。

4.根据权利要求1所述的碳纳米管增强铝基复合材料，其特征在于由以下质量百分比的组分组成：碳纳米管8.2%，碳化硅4.9%，锌1.6%，铬1.8%，钛3.5%，铅0.8%，银0.7%，三氧化二钇4.5%，余量为铝。

5.一种根据权利要求1至4任意一项所述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的微波搅拌反应时间为25min。

7.根据权利要求5所述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述的压力为14.8MPa，温度为1260℃。