CN110724842B - 具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。采用在球磨过程中先预磨高含量的碳纳米管/铝复合材料粉末，再每隔一段时间添加较低含量的碳纳米管/铝复合材料粉末球磨，最后添加铝合金粉末，由此在冷焊作用下复合材料微区形成碳纳米管含量的梯度变化。此外，由于后加入的复合材料粉末经历球磨时间短，晶粒细化程度小，从而形成微区的晶粒尺寸梯度分布。将粉末进行后续致密化及二次加工得到最终的复合材料，表现出远高于均匀结构复合材料的强韧性。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纳米管(CNT)具有极高的力学性能(抗拉强度>10GPa，弹性模量～1GPa)和较大的长径比，被认为是复合材料的理想增强体。向铝合金基体中加入少量碳纳米管即有望制备出高强、高模的铝基复合材料，在航空航天领域有着广阔的应用前景。然而，碳纳米管的加入在使复合材料强度、模量提高的同时，也不可避免的恶化复合材料的韧性，主要来源于两方面的原因，一是分散在铝基体中的碳纳米管具有强烈的钉轧晶界的作用，使基体晶粒严重细化，大大降低了其存储位错的能力；二是以往都追求获得均匀分散的碳纳米管分布，但这种分布使得微裂纹扩展的自由程大大减小，严重降低了复合材料抑制微裂纹扩展的能力。
目前制备高强韧铝基复合材料的方法之一是通过向复合材料中添加粗大的基体粉末[Mater Sci Eng A,1999；259,p 296-307]或者直接复合高韧性铝合金箔[ActaMater,2001；49,p 405-417]，从而构建具有无颗粒区域和颗粒富集区域的非均匀结构，利用无颗粒区域的良好韧性来抑制复合材料的裂纹扩展。但是由于构建出的韧性区尺寸都在几十个微米以上，使得韧性区对脆性区的应力集中无法进行有效松弛，因而对韧性的提高并不明显，而且由于大量低强度韧性区的引入使得复合材料的强度，尤其是屈服强度大幅度下降。
发明内容
本发明的目的在于针对CNT/Al复合材料现有韧性的不足，提供一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料(CNT/Al)及其制备方法。所制备的复合材料在微区具有碳纳米管含量和晶粒尺寸的梯度分布，不仅能有效地发挥碳纳米管的强化效果，而且能使复合材料保持良好的韧性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备n份由碳纳米管和铝合金粉末组成的混合粉末，其中，第1份至第n份混合粉末中的碳纳米管含量依次为A1 vol.％、A2 vol.％、……、An vol.％，A1>A2>…An-1>An；所述混合粉末是由铝合金粉末与碳纳米管粉末置于混料机中，混合均匀后获得；
(2)将质量为m1的第1份混合粉末(A1 vol.％碳纳米管)置于球磨机中，球磨h1小时；然后将质量为m2的第2份混合粉末(A2 vol.％碳纳米管)加入到球磨机中第1份混合粉末上面，并第1份混合粉末共同球磨h2小时；依次进行，直至将质量为mn的第n份混合粉末(Anvol.％碳纳米管)加入到球磨机中第(n-1)份混合粉末上面，并之前所有粉末共同球磨hn小时；最后加入质量为mn+1的铝合金粉末，与前面所有粉末共同球磨hn+1小时，得到最终的复合材料粉末；
(3)对步骤(2)所得最终的复合材料粉末进行粉末冶金致密化，得到致密的复合材料坯锭；
(4)对所得复合材料坯锭进行二次塑性变形加工，进一步改善微观组织，最终得到所述具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料。
上述步骤(2)中，球磨中最后加入的铝合金粉末，是已经合金化的铝合金粉末或由元素粉末组成的预合金化铝粉末；球磨中加入的铝合金粉末平均粒径在5-100μm之间。
上述步骤(2)中，球磨中加入的铝合金粉末，其名义成分选自1×××系到8×××系的各类铝合金成分，其中优选2×××系、5×××系、6×××、7×××系铝合金。
所述的碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管结构，直径小于100nm，长度小于500μm。
上述步骤(2)中，所述球磨过程加入过程控制剂，所述过程控制剂为甲醇、乙醇、石油醚、硬脂酸、油酸和液体石蜡中的一种。
上述步骤(2)中，为使最终复合材料的局部结构具有碳纳米管含量和晶粒尺寸梯度变化的特征，需调控球料比、转速及时间，使粉末处于变形-冷焊阶段而不发生剧烈的破碎，以使第n+1次加入的粉末在变形之后与之前球磨罐中的粉末发生冷焊。为达到上述效果，设计球磨过程的球料比为5:1-30:1，转速为100-500r/min，球磨过程中每次加入的混合粉末中的碳纳米管的含量An vol.％为0.5-6vol.％，每次球磨的时间hn为0.5-4小时。球料比优选10:1-15:1，转速优选200-350r/min，hn优选1-3小时。
上述步骤(4)中，所述二次塑性变形加工为热挤压、热轧制或单向锻造，优选热挤压和热轧制。当采用热挤压时，名义挤压比不低于10:1；当采用热轧制时，名义轧制率不低于60％。
本发明制备的具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料，具有非均匀结构，是由碳纳米管分散于铝基体中形成，其中：该复合材料在微区呈现碳纳米管含量、晶粒尺寸的梯度分布)，所述碳纳米管在基体局部呈梯度分布，在碳纳米管呈梯度分布的区域内晶粒尺寸也呈梯度变化。
与现有的强韧化技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明方法工艺简单，易于控制，具备规模化生产能力。与普通球磨工艺相比，本发明逐次添加从高含量到低含量的碳纳米管与铝合金混合粉末，通过控制球磨转速、球磨时间使粉末处于变形、冷焊阶段而不发生剧烈的破碎，以使后加入的粉末在变形之后与之前球磨罐中的粉末发生冷焊。最终保留局部碳纳米管含量、晶粒尺寸呈梯度分布的非均匀结构。
2、本发明方法制备的复合材料因微区具有非均匀结构，碳纳米管含量、晶粒尺寸呈梯度分布，这种非均匀结构能够有效抑制局域应变集中，不仅能有效地发挥碳纳米管的强化效果，而且能使复合材料保持良好的韧性，即提高了复合材料整体的强韧性。
3、本发明在现有颗粒增强金属基复合材料韧化研究的基础上，通过在复合材料中构建出微区CNT含量及晶粒尺寸呈梯度分布的非均匀结构-梯度结构有利于实现不同区域的协调变形，从而抑制局域应变集中，保证充分发挥CNT的强化优势。此外，晶粒尺寸呈梯度分布，可以通过调控大尺寸晶粒的含量在一定程度上弥补屈服强度的下降，最终获得高强韧的CNT/Al复合材料，有望应用于要求轻质高强的航空航天领域。
附图说明
图1为本发明非均匀结构CNT/Al复合材料的微区结构示意图。
图2为本发明制备的非均匀结构CNT/Al复合材料的微观组织；其中：(b)和(c)为(a)中不同区域的放大图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
本发明采用在球磨过程中先预磨高含量的碳纳米管/铝复合材料粉末，再每隔一段时间添加较低含量的碳纳米管/铝复合材料粉末，最后添加铝合金粉末，由此在冷焊作用下复合材料微区形成碳纳米管含量的梯度变化。此外，由于后加入的复合材料粉末经历球磨时间短，晶粒细化程度小，从而形成微区的晶粒尺寸梯度。对该复合材料粉末进行致密化和二次加工处理得到最终的非均匀CNT/Al复合材料。本发明工艺简单，制备出的CNT/Al复合材料强韧性优良，且具有规模化应用潜力。
本发明包括如下步骤：
(1)将铝合金粉末与An vol.％碳纳米管粉末置于混料机中混合，获得An vol.％碳纳米管/铝复合材料粉末；
(2)将质量为m1的A1 vol.％碳纳米管/铝复合材料粉末置于球磨机中，加入适量过程控制剂，球磨h1小时；将质量为m2的A2 vol.％碳纳米管/铝复合材料粉末加入到球磨机中与之前粉末共同球磨h2小时；…将质量为mn的An vol.％碳纳米管/铝复合材料粉末加入到球磨机中与之前粉末共同球磨hn小时。最后加入质量为mn+1的铝合金粉末，共同球磨hn+1小时。得到最终的复合材料粉末；
(3)对最终的复合材料粉末进行致密化处理，得到致密的复合材料坯锭；
(4)对上述复合材料坯锭进行常规的锻造、挤压或轧制类热二次加工处理，进一步改善微观组织，得到局部区域“碳纳米管含量及晶粒尺寸”呈梯度分布的非均匀结构的碳纳米管/铝复合材料(图1)。
实施例1
将450g平均尺寸为10μm的预合金化2009Al粉(由Al粉、Mg粉、Cu铜元素粉组成)和含量为4vol.％的多壁CNT均匀混合后加入到球磨机中，加入2wt.％的硬脂酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水，在350r/min下球磨2小时；向该复合材料粉末中加入400g 3vol.％CNT/2009Al复合材料粉末，在300r/min下运行2小时；向该复合材料粉末中加入150g平均尺寸为10μm预合金化的2009Al粉，在转速200r/min下球磨0.5h，得到最终的复合材料粉末。随后，通过50MPa下冷压、540℃80MPa下真空热压得到复合材料坯锭；将坯锭进行挤压比为16:1的热挤压，最终得到非均匀结构的3vol.％CNT/2009Al复合材料(图2)。
该复合材料的基体局部位置碳纳米管含量呈梯度分布，在碳纳米管呈梯度分布的区别内晶粒尺寸也呈梯度变化。在碳纳米管含量逐渐增大的梯度方向上，复合材料在同样区域沿该梯度方向的晶粒尺寸逐渐变小。
复合材料T4处理后的屈服强度达到650MPa，抗拉强度745MPa，延伸率约5％。
比较例1
将平均尺寸为10μm预合金化的2009Al粉(由Al粉、Mg粉、Cu铜元素粉组成)和含量为3vol.％的多壁CNT加入到搅拌球磨机中，加入2wt.％的硬脂酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水，在400r/min下球磨6小时得到分散均匀的CNT/2009Al复合材料粉末。随后，通过50MPa下冷压、540℃80MPa下真空热压得到复合材料坯锭；将坯锭进行挤压比为16:1的热挤压，得到最终的分散均匀的3vol.％CNT/2009Al复合材料。复合材料T4处理后的屈服强度达到680MPa，抗拉强度730MPa，但延伸率不到2％。
实施例2
将300g平均尺寸为10μm的5083Al合金粉和含量为4vol.％的多壁CNT均匀混合后加入到搅拌球磨机中，加入2wt.％的硬脂酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水，在400r/min下球磨2小时；向该复合材料粉末中加入600g 3vol.％CNT/5083Al复合材料粉末，在400r/min下运行2小时；向该复合材料粉末中加入100g平均尺寸为10μm预合金化的5083Al粉，在转速200r/min下球磨0.5h，得到最终的复合材料粉末。随后，通过40MPa下冷压、500℃80MPa下真空热压得到复合材料坯锭；将坯锭进行挤压比为16:1的热挤压，最终得到非均匀结构的3vol.％CNT/5083Al复合材料。复合材料的屈服强度达到500MPa，抗拉强度645MPa，延伸率约4％。
比较例2
将平均尺寸为10μm预合金化的5083Al粉(由Al粉、Mg粉元素粉组成)和含量为4.5vol.％的多壁CNT加入到搅拌球磨机中，加入2wt.％的硬脂酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水在400r/min下球磨8小时得到分散均匀的CNT/5083Al复合材料粉末；向该复合材料粉末中加入含量为50wt.％的尺寸约为200μm的5083Al合金粉，放入混料机中在60r/min下运行5小时使其混合均匀，得到最终的复合材料粉末。随后，通过40MPa下冷压、500℃80MPa下真空热压得到复合材料坯锭；将坯锭进行挤压比为25:1的热挤压，得到最终的分散均匀的3vol.％CNT/5083Al复合材料。复合材料的屈服强度为510MPa，抗拉强度615MPa，延伸率约1.5％。
实施例3
将363g平均尺寸为10μm的6061Al合金粉和含量为4vol.％的多壁CNT均匀混合后加入到搅拌球磨机中，加入2wt.％的硬脂酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水，在300r/min下球磨2小时；向该复合材料粉末中加入91g 3vol.％CNT/6061Al复合材料粉末，在300r/min下运行1.5小时；向该复合材料粉末中加入182g 1.5vol.％CNT/6061Al复合材料粉末，在300r/min下运行1.5小时；随后向该复合材料粉末中加入364g平均尺寸为10μm预合金化的6061Al粉，在转速150r/min下球磨0.5h，得到最终的复合材料粉末。随后，通过40MPa下冷压、580℃100MPa下真空热压得到复合材料坯锭；将坯锭进行挤压比为16:1的热挤压，得到最终的非均匀结构的3vol.％CNT/6061Al复合材料。复合材料T6处理后的屈服强度达到475MPa，抗拉强度525MPa，延伸率约10％。
比较例3
将平均尺寸为10μm的6061Al合金粉和含量为2vol.％的单壁CNT加入到搅拌球磨机中，加入2wt.％的液态石蜡，作过程控制剂，通入氩气和冷却水在350r/min下球磨6小时得到分散均匀的CNT/6061Al复合材料粉末。随后，通过40MPa下冷压、580℃100MPa下真空热压得到复合材料坯锭；将坯锭进行锻造比为10:1的热锻造，得到均匀分散的3vol.％CNT/6061Al复合材料。复合材料T6处理后的屈服强度达到408MPa，抗拉强度520MPa，延伸率约4％。
实施例4
将400g平均尺寸为30μm的7055Al合金粉和含量为3vol.％的多壁CNT混合后，加入到搅拌球磨机中，加入1.5wt.％的油酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水，在300r/min下球磨3小时；向该复合材料粉末中加入400g 2vol.％多壁CNT/7055Al合金粉，在300r/min下球磨3小时；向该复合材料粉末中加入200g平均尺寸为30μm的7055Al合金粉，在100r/min下球磨1小时得到最终的2vol.％CNT/7055Al复合材料粉末。随后，通过50MPa下冷压、500℃100MPa下热等静压得到复合材料坯锭；将坯锭进行轧制比为60％的热轧制，最终得到非均匀结构的2vol.％CNT/7055Al复合材料。复合材料T6处理后的屈服强度达到710MPa，抗拉强度794MPa，延伸率约8％。
对比例4
将平均尺寸为30μm的7055Al合金粉和含量为2vol.％的多壁CNT混合后加入到搅拌球磨机中，加入1.5wt.％的油酸作过程控制剂，通入氩气和冷却水，在300r/min下球磨6小时得到分散均匀的CNT/7055Al复合材料粉末。随后，通过50MPa下冷压、500℃100MPa下热等静压得到复合材料坯锭；将坯锭进行轧制比为60％的热轧制，得到最终的分级结构的2vol.％CNT/7055Al复合材料。复合材料T6处理后的屈服强度达到685MPa，抗拉强度780MPa，延伸率约4％。
上述实施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士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作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)制备n份由碳纳米管和铝合金粉末组成的混合粉末，其中，第1份至第n份混合粉末中的碳纳米管含量依次为A1 vol.％、A2 vol.％、……、An vol.％，A1>A2>…An-1>An；所述混合粉末是由铝合金粉末与碳纳米管粉末置于混料机中，混合均匀后获得；
(2)将质量为m1的第1份混合粉末置于球磨机中，球磨h1小时；然后将质量为m2的第2份混合粉末加入到球磨机中第1份混合粉末上面，并第1份混合粉末共同球磨h2小时；依次进行，直至将质量为mn的第n份混合粉末加入到球磨机中第(n-1)份混合粉末上，并之前所有粉末共同球磨hn小时；最后加入质量为mn+1的铝合金粉末，与前面所有粉末共同球磨hn+1小时，得到最终的复合材料粉末；所述球磨过程的球料比为5:1-30:1，转速为100-500r/min，球磨过程中每次加入的混合粉末中的碳纳米管的含量An vol.％为0.5-6vol.％，每次球磨的时间hn为0.5-4小时；
(3)对步骤(2)所得最终的复合材料粉末进行粉末冶金致密化，得到致密的复合材料坯锭；
(4)对所得复合材料坯锭进行二次塑性变形加工，进一步改善微观组织，最终得到所述具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料。
2.根据权利要求1所述具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，球磨中最后加入的铝合金粉末，是已经合金化的铝合金粉末或由元素粉末组成的预合金化铝粉末；球磨中加入的铝合金粉末平均粒径在5-100μm之间。
3.根据权利要求1或2所述的具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，其特征在于：球磨中加入的铝合金粉末，其名义成分选自1×××系到8×××系的各类铝合金成分。
4.根据权利要求1所述的具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管结构，直径小于100nm，长度小于500μm。
5.根据权利要求1所述具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述球磨过程加入过程控制剂，所述过程控制剂为甲醇、乙醇、石油醚、硬脂酸、油酸和液体石蜡中的一种。
6.根据权利要求1所述的具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，球料比为10:1-15:1，转速为200-350r/min，hn为1-3小时。
7.根据权利要求1所述的具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述二次塑性变形加工为热挤压、热轧制或单向锻造。
8.一种利用权利要求1-7任一所述方法制备的具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料，其特征在于：该复合材料具有非均匀结构，是由碳纳米管分散于铝基体中形成，其中：所述碳纳米管含量及晶粒尺寸在微区呈梯度分布。
9.根据权利要求8所述的具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料，其特征在于：所述碳纳米管在基体局部呈梯度分布，在碳纳米管呈梯度分布的区域内晶粒尺寸也呈梯度变化。
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