CN112111665A - 一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝合金制备技术领域，公开了一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，包括以下步骤：将陶瓷颗粒与阳离子表面活性剂水溶液充分混合后，干燥，获得包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒；将碳材料与包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒加入水中，在搅拌下进行静电自组装后，干燥，获得复合颗粒；将复合颗粒与发泡剂混合均匀后，进行热压烧结，获得多孔预制体；在真空压力浸渗设备中，将铝合金锭熔化并浸渗到多孔预制体中，冷却后获得碳改性铝合金复合材料。本发明的方法能有效改善铝合金与碳材料之间的相容性，制备过程中的预制体不易开裂，且铝合金能充分填充于预制体的孔隙中，因而能获得抗拉强度和导热性能更好的复合材料。

Description

一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法

技术领域

本发明涉及铝合金制备技术领域，尤其涉及一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法。

背景技术

铝合金复合材料由基体材料(纯铝和铝合金)、增强材料(纤维，晶须和颗粒)这两部分组成，由于质量较轻，属于一种轻质金属基复合材料；它不仅具有铝基体的低密度、良好导热性、耐腐蚀性强等优点，而且还保持了金属基复合材料的一些整体的性能，如比刚度高、尺寸稳定性好等优点，己成为新型材料研究的重点。碳改性铝合金复合材料是以碳纤维、碳纳米管、石墨烯等碳材料为增强体，以铝合金为基体的一类复合材料的统称，它具有较高的抗拉强度和导电、导热性能，作为结构和散热材料被广泛应用于汽车、电子及通讯等领域。不过，由于密度差异等原因，碳材料与铝基体之间的润湿性较差，这严重阻碍了复合材料的制备，对复合材料的力学性能和导热性能造成了较大的影响。

公开号为CN106119587A的中国专利文献公开了一种有效添加碳纳米管的铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)碳纳米管铝基复合粉体的制备：将碳纳米管、铝粉和发泡剂按照一定的比例放入到高能球磨机中混合均匀，冷却，制得复合粉体；(2)碳纳米管铝基复合坯锭的制备：将步骤(1)制得的复合粉体放入真空热压炉中进行烧结致密化，制得复合坯锭；(3)熔炼：待纯铝锭熔化后，在一定温度下加入步骤(2)制得的复合坯锭，经搅拌、保温、浇铸，制得产品碳纳米管铝合金复合材料。该方法通过在复合粉体中添加发泡剂，结合真空热压烧结工艺，使得颗粒之间融合，消除颗粒之间较强的机械结合力，在复合坯锭加入铝液后产生剧烈发泡现象并形成细小颗粒，解决了碳纳米管与铝液的润湿性问题。但同时，该方法也存在以下问题：(1)由铝和碳纳米管通过热压烧结形成的复合坯锭的强度较小，在搅拌浇铸的过程中会出现开裂等问题，影响最终制得的复合材料的强度；(2)发泡剂在加入铝液后发挥作用，会在铝液中产生大量气泡，且采用搅拌浇铸的方法将铝液填充到复合坯锭中，铝液渗透入复合坯锭的速度较慢，导致最终制得的复合材料中可能会存在未填充铝液的孔隙，影响复合材料的强度和导热性；且碳材料与铝液长时间接触会发生反应，生成的Al₄C₃导热系数小(140W/m·K)，导致碳材料与铝基体之间的界面热阻较大，影响复合材料的导热性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法。通过该方法制备复合材料的过程中不存在预制体开裂的问题，且铝合金能充分填充于预制体的孔隙中，因而能获得抗拉强度和导热性能更好的复合材料。

本发明的具体技术方案为：

一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)将陶瓷颗粒与阳离子表面活性剂水溶液充分混合后，干燥，获得包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒；

(2)将碳材料与包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒加入水中，在搅拌下进行静电自组装后，干燥，获得复合颗粒；

(3)将复合颗粒与发泡剂混合均匀后，进行热压烧结，获得多孔预制体；

(4)在真空压力浸渗设备中，将铝合金锭熔化并浸渗到多孔预制体中，冷却后获得碳改性铝合金复合材料。

本发明通过将陶瓷颗粒与碳材料混合制成多孔预制体，利用陶瓷材料抗压、抗剪强度高的特征，能提高预制体的强度，防止其在后续铝液浸渗的过程中发生开裂，从而使碳材料和陶瓷颗粒在复合材料中的分布更均匀，以提高复合材料的抗拉强度和导热性能。同时，本发明通过在陶瓷颗粒外包覆阳离子表面活性剂，使陶瓷颗粒表面带上正电荷，从而通过静电引力与表面带负电的碳材料实现有效结合，能进一步提高预制体的强度，防止预制体在真空压力浸渗的过程中变形崩溃。

此外，本发明通过在预制体中加入发泡剂，后者在热压烧结的过程中发挥作用，在预制体中形成孔隙，再通过真空压力浸渗法使铝合金熔体浸渗到孔隙中，能防止提高预制体与铝合金熔体之间的浸润性，改善两者之间的界面结合，从而提高复合材料的抗拉强度和导热性能。相较于公开号为CN106119587A的专利而言，本发明的发泡剂在热压烧结时即发挥作用，并采用真空压力浸渗法加快铝合金熔体的浸渗入多孔预制体的过程，能防止最终制得的复合材料中存在未填充铝合金的孔隙，因而能提高复合材料的抗拉强度和导热性能，同时还能减少碳材料与铝液反应生成Al₄C₃，从而降低界面热阻，提高复合材料的导热性能。

作为优选，步骤(2)中，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、富勒烯、纳米炭黑、纳米石墨、短碳纤维中的至少一种；所述短碳纤维的长度为30～50μm，直径为4～7μm。

作为优选，步骤(1)中，所述陶瓷颗粒为纳米三氧化二铝、纳米硅酸钠、纳米长石、纳米石英石中的至少一种。

作为优选，步骤(1)中，所述阳离子表面活性剂为脂肪胺、聚氧乙烯脂肪胺、季铵盐、聚氧乙烯季铵盐中的至少一种。

作为优选，步骤(1)中，所述阳离子表面活性剂水溶液的质量分数为5～50wt.％。

作为优选，步骤(1)中的陶瓷颗粒的用量为步骤(2)中碳材料用量的5～10wt.％。

作为优选，步骤(3)中，发泡剂的用量为复合颗粒用量的1～5wt.％。

作为优选，步骤(3)中，所述发泡剂为碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠中的至少一种。

作为优选，步骤(3)中，所述热压烧结的温度为1500～2000℃。

作为优选，步骤(3)中，所述热压烧结的压力为5～10MPa。

作为优选，步骤(4)中，所述浸渗的压力为1～5Mpa。

作为优选，所述短碳纤维包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，皮层为碳/铝复合材料。

将短碳纤维设计成皮芯结构，碳芯部的存在能提高短碳纤维中的碳含量，从而更好地发挥短碳纤维对复合材料的增强作用；铝/碳复合材料皮层则作为碳芯部与铝基体之间的过渡层发挥作用，能提高短碳纤维与铝基体之间的相容性，改善两者之间的界面结合，这能使载荷能有效地从铝基体传递到碳纤维，防止两者在受拉时发生剥离，从而提高复合材料的抗拉性能，并且，界面结合的改善还能减小界面热阻，提高复合材料的导热性能。

作为优选，所述芯部的直径为3～5μm，皮层的厚度为1～2μm；所述短碳纤维的制备方法如下：

(A)纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

(B)预氧化：将碳纤维原丝在200～400℃、空气气氛中进行预氧化；

(C)浸渍：将碳纤维原丝浸入铝溶胶与熔融沥青的混合液中，浸渍30～40min，获得包覆有铝溶胶与熔融沥青的碳纤维；所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:3～5；

(D)预氧化：将浸渍处理后的碳纤维在200～400℃、空气气氛中进行预氧化；

(E)碳化：将预氧化处理后的碳纤维在800～1200℃、氮气气氛中进行碳化；

(F)电解：将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维；

(G)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得短碳纤维。

本发明通过浸渍和电解过程，实现了碳/铝复合材料在碳芯部外的包覆，具体机制如下：在碳纤维原丝预氧化(稳定化)后，通过浸渍涂层法在原丝外包覆铝溶胶与熔融沥青的混合层；在后续预氧化的过程中，外层混合层中的沥青经历一系列复杂反应，转化成热稳定并具有半导体电阻值的吡啶环梯形结构，同时，外层的铝溶胶也干燥固化；碳化处理后，通过电解使外层的氧化铝转化为铝。电解的具体过程如下：在电解过程中，碳纤维外层的氧化铝与熔融冰晶石中的AlF₆ ^3-反应生成Al₂OF₆ ^2-，Al₂OF₆ ^2-进入电解质中，在碳纤维外层形成孔隙，AlF₆ ^3-在阴极被还原成铝，以铝液的形式填充到碳纤维外层的孔隙中，冷却后即可获得芯部为碳、皮层为铝/碳复合材料的皮芯结构碳纤维。电解时，阳极生成二氧化碳，可通过阳极是否有气泡冒出来判断电解是否完成。

步骤(B)中，采用铝溶胶而不直接采用铝单质的原因在于，铝单质的熔点较低(660℃)，在碳化时会因熔化而流失，而铝溶胶中的铝以氧化铝的形式存在，氧化铝熔点高达2054℃，在高温碳化时仍能稳定存在。此外，铝溶胶的多孔性使其能在皮层形成一个多孔骨架，提高皮层中铝与碳材料的接触面积，从而更好地改善复合材料中短碳纤维与铝基体之间的相容性。

作为优选，所述皮层包括由内到外铝含量依次增大的内层、中层和外层；所述芯部的直径为2～4μm，内层、中层、外层的厚度均为0.5～1μm；所述短碳纤维的制备方法如下：

(a)纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

(b)预氧化：将碳纤维原丝在200～400℃、空气气氛中进行预氧化；

(c)包覆内层：将碳纤维原丝浸入铝溶胶与熔融沥青的混合液中，所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:4.5～6.5，浸渍18～23min；将浸渍处理后的碳纤维在200～400℃、空气气氛中进行预氧化，获得包覆有内层的碳纤维；

(d)包覆中层和外层：将步骤(c)中的铝溶胶与熔融沥青的质量比换成1:2～4.5和1:1～2，重复步骤(c)，依次包覆上中层和外层；

(e)碳化：将包覆上外层后的碳纤维在800～1200℃、氮气气氛中进行碳化；

(f)电解：将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维；

(g)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得短碳纤维。

通过重复浸渍、预氧化的步骤，在碳芯部外包裹三层铝/碳复合材料，并使内层到外层铝含量依次增大，通过这种梯度过渡，能进一步改善芯部、皮层和铝基体之间的相容性，改善短碳纤维与铝基体之间的界面结合，从而提高复合材料的抗拉强度和导热性。

作为优选，步骤(F)或(g)中，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2～2.5。

作为优选，步骤(C)或步骤(c)中，所述浸渍的时间为30～40min。

作为优选，步骤(B)或步骤(D)或步骤(b)或步骤(c)中，所述预氧化的时间为30～40min。

作为优选，步骤(E)或步骤(e)中，所述碳化的时间为3～6h。

作为优选，步骤(F)或步骤(f)中，所述电解的电压为3.5～4.5V。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)制备过程中的多孔预制体强度较大，在浸渗铝合金熔体的过程中不会发生开裂等问题，最终制得的复合材料具有较高的抗拉强度和导热性能；

(2)将发泡剂、热压烧结与真空压力浸渗法相结合，能改善铝合金熔体与碳材料之间的浸润性，使两者更好地结合，有利于提高复合材料的抗拉强度和导热性能；

(3)采用皮芯结构的短碳纤维，能提高碳材料与铝基体之间的相容性，进一步提高复合材料的抗拉强度和导热性能。

附图说明

图1为本发明的一种工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

总实施例

一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，包括以下步骤(如图1所示)：

(1)将陶瓷颗粒与质量分数为5～50wt.％的阳离子表面活性剂水溶液充分混合后，干燥，获得包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒为纳米三氧化二铝、纳米硅酸钠、纳米长石、纳米石英石中的至少一种；所述阳离子表面活性剂为脂肪胺、聚氧乙烯脂肪胺、季铵盐、聚氧乙烯季铵盐中的至少一种；

(2)将碳材料与包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒加入水中，在搅拌下进行静电自组装后，干燥，获得复合颗粒；所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、富勒烯、纳米炭黑、纳米石墨、短碳纤维中的至少一种；所述短碳纤维的长度为30～50μm，直径为4～7μm；步骤(1)中的陶瓷颗粒用量为步骤(2)中碳材料用量的5～10wt.％；

(3)将复合颗粒与发泡剂混合均匀后，在1500～2000℃、5～10MPa下进行热压烧结，获得多孔预制体；所述发泡剂为碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠中的至少一种；所述发泡剂的用量为复合颗粒用量的1～5wt.％；

(4)在真空压力浸渗设备中，将铝合金锭熔化，并在1～5Mpa下浸渗到多孔预制体中，冷却后获得碳改性铝合金复合材料。

可选地，步骤(2)中，所述碳材料为长度30～50μm、直径4～7μm的短碳纤维；所述短碳纤维包括芯部和包裹在芯部外的皮层；芯部为碳，直径为3～5μm；皮层为碳/铝复合材料，厚度为1～2μm。所述短碳纤维的制备方法如下：

(A)纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

(B)预氧化：将碳纤维原丝在200～400℃、空气气氛中预氧化30～40min；

(C)浸渍：将碳纤维原丝浸入铝溶胶与熔融沥青的混合液中，浸渍30～40min，获得包覆有铝溶胶与熔融沥青的碳纤维；所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:3～5；

(D)预氧化：将浸渍处理后的碳纤维在200～400℃、空气气氛中预氧化30～40min；

(E)碳化：将预氧化处理后的碳纤维在800～1200℃、氮气气氛中碳化3～6h；

(F)电解：将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2～2.5，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，在3.5～4.5V电压下进行电解；待阳极无气泡冒出后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维；

(G)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得短碳纤维。

可选地，步骤(2)中，所述碳材料为长度30～50μm、直径4～7μm的短碳纤维；所述短碳纤维包括芯部和包裹在芯部外的皮层；芯部为碳，直径为2～4μm；皮层为碳/铝复合材料，包括由内到外铝含量依次增大的内层、中层和外层，内层、中层、外层的厚度均为0.5～1μm。所述短碳纤维的制备方法如下：

(a)纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

(b)预氧化：将碳纤维原丝在200～400℃、空气气氛中预氧化30～40min；

(c)包覆内层：将碳纤维原丝浸入铝溶胶与熔融沥青的混合液中，所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:4.5～6.5，浸渍18～23min；将浸渍处理后的碳纤维在200～400℃、空气气氛中预氧化30～40min，获得包覆有内层的碳纤维；

(d)包覆中层、外层：将步骤(c)中的铝溶胶与熔融沥青的质量比换成1:2～4.5和1:1～2，重复步骤(c)，依次包覆上中层和外层；

(e)碳化：将包覆上外层后的碳纤维在800～1200℃、氮气气氛中碳化3～6h；

(f)电解：将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2～2.5，以熔融冰晶石为电解质，在3.5～4.5V电压下进行电解；待阳极无气泡冒出后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维；

(g)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得短碳纤维。

实施例1

一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)将纳米三氧化二铝颗粒与质量分数为30wt.％的十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐水溶液充分混合后，干燥，获得包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒；

(2)将碳纳米管与包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒加入水中，在搅拌下进行静电自组装后，干燥，获得复合颗粒；步骤(1)中的陶瓷颗粒用量为步骤(2)中碳材料用量的8wt.％；

(3)将复合颗粒与碳酸钙混合均匀后，在1800℃、10MPa下进行热压烧结，获得多孔预制体；所述发泡剂的用量为复合颗粒用量的3wt.％；

(4)在真空压力浸渗设备中，将6061铝合金锭熔化，并在4Mpa下浸渗到多孔预制体中，冷却后获得碳改性铝合金复合材料。

实施例2

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(2)中的碳材料为纳米炭黑。

实施例3

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(2)中的碳材料为纳米石墨。

实施例4

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(2)中的碳材料为石墨烯。

实施例5

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(2)中的碳材料为长度40μm、直径5.5μm的短碳纤维，制备方法如下：

A)纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

B)预氧化：将碳纤维原丝在300℃、空气气氛中预氧化35min；

C)碳化：将预氧化处理后的碳纤维在1000℃、氮气气氛中碳化5h；

D)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得长度为40μm的短碳纤维。

实施例6

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(1)中的陶瓷颗粒为碳酸钠。

实施例7

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(1)中的陶瓷颗粒为长石。

实施例8

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(1)中的陶瓷颗粒为石英石。

实施例9

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的热压烧结温度为1600℃。

实施例10

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的热压烧结温度为1700℃。

实施例11

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的热压烧结温度为1900℃。

实施例12

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(4)中的浸渗压力为2MPa。

实施例13

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(4)中的浸渗压力为3MPa。

实施例14

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的浸渗压力为5MPa。

实施例15

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(2)中的碳材料为短碳纤维，制备方法如下：

(A)纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

(B)预氧化：将碳纤维原丝在300℃、空气气氛中预氧化35min；

(C)浸渍：将碳纤维原丝浸入铝溶胶与熔融沥青的混合液中，浸渍35min，获得包覆有铝溶胶与熔融沥青的碳纤维；所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:4；

(D)预氧化：将浸渍处理后的碳纤维在300℃、空气气氛中预氧化35min；

(E)碳化：将预氧化处理后的碳纤维在1000℃、氮气气氛中碳化5h；

(F)电解：将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2，以石墨为阳极，以熔融冰晶石为电解质，在4V电压下进行电解；待阳极无气泡冒出后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维；

(G)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得长度为40μm的短碳纤维。

制得的短碳纤维的芯部直径为4μm，皮层厚度为1.5μm。

实施例16

按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(2)中的碳材料为短碳纤维，制备方法如下：

(a)纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

(b)预氧化：将碳纤维原丝在300℃、空气气氛中预氧化35min；

(c)包覆内层：将碳纤维原丝浸入铝溶胶与熔融沥青的混合液中，所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:5.5，浸渍18min；将浸渍处理后的碳纤维在300℃、空气气氛中预氧化35min，获得包覆有内层的碳纤维；

(d)包覆中层、外层：将步骤(c)中的铝溶胶与熔融沥青的质量比换成1:3和1:1.5，重复步骤(c)，依次包覆上中层和外层；

(e)碳化：将包覆上外层后的碳纤维在1000℃、氮气气氛中碳化5h；

(f)电解：将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，以石墨为阳极，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2，以熔融冰晶石为电解质，在4V电压下进行电解；待阳极无气泡冒出后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维；

(g)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得长度为40μm的短碳纤维。

制得的短碳纤维的芯部直径为4μm，皮层中的内层、中层、外层的厚度均为0.5μm。

对比例1(陶瓷颗粒表面不包覆阳离子表面活性剂)

一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)将碳纳米管与纳米三氧化二铝颗粒加入水中，混合均匀，获得复合颗粒；

(2)将复合颗粒与碳酸钙混合均匀后，在1800℃、10MPa下进行热压烧结，获得多孔预制体；

(3)在真空压力浸渗设备中，将6061铝合金锭熔化，并在4Mpa下浸渗到多孔预制体中，冷却后获得碳改性铝合金复合材料。

对比例2(发泡剂在加入铝合金熔体后发挥作用)

一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)将纳米三氧化二铝颗粒与质量分数为30wt.％的季铵盐水溶液充分混合后，干燥，获得包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒；

(2)将碳纳米管与包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒加入水中，在搅拌下进行静电自组装后，干燥，获得复合颗粒；

(3)将复合颗粒与碳酸钙混合均匀后，在500℃、10MPa下进行热压烧结，获得预制体；

(4)在真空压力浸渗设备中，将6061铝合金锭熔化，并在4Mpa、900℃下浸渗到预制体中，冷却后获得碳改性铝合金复合材料。

对实施例1～16和对比例1～2所制得的碳改性铝合金复合材料的导热性能进行测试，测试结果如表1所示。

表1实施例1～16和对比例1～2产品的导热性能和力学性能

实施例1在对比例1的基础上，在陶瓷颗粒上包覆阳离子表面活性剂后再与碳纳米管混合，制得的复合材料的导热系数和抗拉强度明显增大，原因在于：通过在陶瓷颗粒外包覆阳离子表面活性剂，使陶瓷颗粒表面带上正电荷，能通过静电引力与表面带负电的碳材料实现有效结合，以提高预制体的强度，防止其在后续铝液浸渗的过程中发生开裂，从而使碳材料和陶瓷颗粒在复合材料中的分布更均匀，故能提高复合材料的抗拉强度和导热性能。

实施例1与对比例2的区别在于，实施例1中，发泡剂在热压烧结的过程中发挥作用，而对比例2中，发泡剂在加入铝合金熔体后发挥作用，实施例1制得的复合材料的导热系数和抗拉强度明显较大，原因在于：发泡剂在加入铝合金熔体时发挥作用，会在熔体中产生大量气泡，导致熔体无法充分填充到预制体的孔隙中，影响复合材料的抗拉强度和导热性能。

实施例2～14分别在实施例1的基础上分别改变了碳材料的种类、陶瓷颗粒的种类、热压烧结温度、浸渗压力中的一个，对比实施例1～14制得的复合材料的测试结果，发现采用实施例1中的工艺参数所得到的铝合金的导热系数可以达到0.95、抗拉强度可以达到705MPa，均优于其他各实施例。因此，可选用实施例1中的配方和工艺参数作为最优选择。

实施例15在实施例5的基础上，采用了皮芯结构的短碳纤维，制得的复合材料的导热系数和抗拉强度明显增大，原因在于：铝/碳复合材料皮层则作为碳芯部与铝基体之间的过渡层发挥作用，能提高短碳纤维与铝基体之间的相容性，改善两者之间的界面结合，这能使载荷能有效地从铝基体传递到碳纤维，防止两者在受拉时发生剥离，从而提高复合材料的抗拉性能，并且，界面结合的改善还能减小界面热阻，提高复合材料的导热性能。

实施例16在实施例15的基础上将皮层设计为三层，由内到外铝含量依次增大，制得的复合材料的抗拉强度和热导率明显增大，原因在于：通过芯部、皮层内层、中层、外层、铝基体之间铝含量的梯度过渡，能进一步改善芯部、皮层和铝基体之间的相容性，改善短碳纤维与铝基体之间的界面结合，从而提高复合材料的抗拉强度和导热性。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将陶瓷颗粒与阳离子表面活性剂水溶液充分混合后，干燥，获得包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒；

（2）将碳材料与包覆有阳离子表面活性剂的陶瓷颗粒加入水中，在搅拌下进行静电自组装后，干燥，获得复合颗粒；

（3）将复合颗粒与发泡剂混合均匀后，进行热压烧结，获得多孔预制体；

（4）在真空压力浸渗设备中，将铝合金锭熔化并浸渗到多孔预制体中，冷却后获得碳改性铝合金复合材料。

2.如权利要求1所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、富勒烯、纳米炭黑、纳米石墨、短碳纤维中的至少一种；所述短碳纤维的长度为30~50μm，直径为4~7μm。

3.如权利要求1所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于：

步骤（1）中，所述陶瓷颗粒为纳米三氧化二铝、纳米硅酸钠、纳米长石、纳米石英石中的至少一种；和/或

步骤（3）中，所述发泡剂为碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠中的至少一种。

4.如权利要求1所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于：

步骤（1）中，所述阳离子表面活性剂为脂肪胺、聚氧乙烯脂肪胺、季铵盐、聚氧乙烯季铵盐中的至少一种；和/或

步骤（1）中，所述阳离子表面活性剂水溶液的质量分数为5~50wt.%。

5.如权利要求1所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于：

步骤（2）中的陶瓷颗粒的用量为步骤（1）中碳材料用量的5~10wt.%；和/或

步骤（3）中，发泡剂的用量为复合颗粒用量的1~5wt.%。

6.如权利要求1所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于：

步骤（3）中，所述热压烧结的温度为1500~2000℃；和/或

步骤（3）中，所述热压烧结的压力为5~10MPa。

7.如权利要求1所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述浸渗的压力为1~5Mpa。

8.如权利要求2所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于，所述短碳纤维包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，皮层为碳/铝复合材料。

9.如权利要求8所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于，所述芯部的直径为3~5μm，皮层的厚度为1~2μm；所述短碳纤维的制备方法如下：

（A）纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

（B）预氧化：将碳纤维原丝在200~400℃、空气气氛中进行预氧化；

（C）浸渍：将碳纤维原丝浸入铝溶胶与熔融沥青的混合液中，浸渍30~40min，获得包覆有铝溶胶与熔融沥青的碳纤维；所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:3~5；

（D）预氧化：将浸渍处理后的碳纤维在200~400℃、空气气氛中进行预氧化；

（E）碳化：将预氧化处理后的碳纤维在800~1200℃、氮气气氛中进行碳化；

（F）电解：将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维；

（G）切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得短碳纤维。

10.如权利要求8所述的一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法，其特征在于，所述皮层包括由内到外铝含量依次增大的内层、中层和外层；所述芯部的直径为2~4μm，内层、中层、外层的厚度均为0.5~1μm；所述短碳纤维的制备方法如下：

（a）纺丝：对沥青进行熔融纺丝，制成碳纤维原丝；

（b）预氧化：将碳纤维原丝在200~400℃、空气气氛中进行预氧化；

（c）包覆内层：将碳纤维原丝浸入铝溶胶与熔融沥青的混合液中，所述铝溶胶与熔融沥青的质量比为1:4.5~6.5，浸渍18~23min；将浸渍处理后的碳纤维在200~400℃、空气气氛中进行预氧化，获得包覆有内层的碳纤维；

（d）包覆中层和外层：将步骤（c）中的铝溶胶与熔融沥青的质量比换成1:2~4.5和1:1~2，重复步骤（c），依次包覆上中层和外层；

（e）碳化：将包覆上外层后的碳纤维在800~1200℃、氮气气氛中进行碳化；

（f）电解：将碳化处理后的碳纤维铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出碳纤维，冷却后获得皮芯结构碳纤维；

（g）切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得短碳纤维。

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