CN113136508A - 一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，包括单壁碳纳米管为0.05wt％～0.4wt％，铝基体为99.6wt％～99.95wt％；其铝基体为铝合金的预合金粉，并通过称取单壁碳纳米管和铝基体原料在超声波分散混合均匀进行混合，热压烧结和多向锻造轧制得到高强塑性铝基复合材料；其单壁碳纳米管作为增强相提高了复合材料的强度，其制备过程及多向锻造进一步提高铝基复合材料的致密度和强度，使该铝基复合材料具有优异的综合性能。

Description

一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金基复合材料技术领域，特别涉及一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，以及该复合材料的制备方法。
背景技术
在增强基复合材料技术领域，铝合金基复合材料具有比强度和比模量高，热膨胀系数低，高温性能好的特点，且兼具有良好的耐疲劳性和耐磨性；同时铝合金基复合材料基体选择范围广、材料加工工艺成熟，具有优良的塑性成形性能，同时可热处理性能好，易于加工制备。已成为航空、航天及其他尖端技术部门研究发展的高性能材料的一个重要方向，也是近年来国内外新材料研究的热点之一。通过对铝合金基复合材料基体和增强相成分、含量、分布的优化设计，可以组合出特定的力学性能和物理性能，以满足不同产品性能的需求。
型材6061铝合金属于6系的Al-Si-Mg系合金，是一种可以进行热处理强化的中高强度铝合金，该6061铝合金具有轻质高强、耐腐蚀性能好的特点，同时兼具较好的韧性和良好的焊接性能及机械加工性能。同时，该合金在退火后仍然具有较好的可塑性，目前被广泛应用于航空航天、汽车工业、包装用铝材、建筑装饰、电子家电等行业。其6061铝合金可以作为高强高塑铝基复合材料的基体，单壁碳纳米管可以提高材料强度。但是，采用单壁碳纳米管增强该铝基复合材料商业产品少，且其制备工艺复杂，综合性能难以控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，其单壁碳纳米管作为增强相对6061铝基材料起增强作用，该复合材料通过热压烧结和多向锻造的制备方法，从而形成高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料；该方法为制备高性能铝基复合材料提供了一种性能稳定，工艺可控，可实现工业化的新方法和新思路。
为了实现上述目的，本发明提供一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，包括：
单壁碳纳米管为0.05wt％～0.4wt％，铝基体为99.6wt％～99.95wt％；
其中，所述铝基体为6061铝合金，所述6061铝合金为预合金粉。
所述预合金粉6061铝合金组分为：
Si：0.4～0.8wt％；
Zn：≤0.25wt％；
Cu：0.15～0.4wt％；
Mg：0.8～1.2wt％；
Mn：≤0.15wt％；余量为Al。
为了实现上述目的，本发明还提供制备该高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1原料混合，分别称取单壁碳纳米管为0.05wt％～0.4wt％，铝基体预合金粉为99.6wt％～99.95wt％为原料；将称取的单壁碳纳米管和铝基体原料在超声波分散混合均匀，得到混合粉末；
S2热压烧结，将步骤S1混合均匀的粉末进行热压烧结，得到6061铝合金的铝基复合材料胚体；
S3多向锻造，将步骤S2得到的铝基复合材料胚体进行多向锻造加工，得到高强塑性铝基复合材料。
优选的，步骤S1所述预合金粉的粒度范围为5～50微米；
优选的，步骤S1所述超声波分散时间为55～65min；
优选的，步骤S1所述混合为球磨混合，所述单壁碳纳米管和铝基体先球磨25～35min，停止25～35min，循环2～4次，共球磨混合115～125min；
优选的，步骤S2所述热压烧结的压力为5～10MPa，烧结温度520～580℃；
优选的，步骤S2所述热压烧结在真空中进行；
优选的，步骤S3所述多向锻造温度250～350℃；
优选的，步骤S3所述多向锻造的锻造道次为1～5道次，每道次变形量为25％～40％，该铝基复合材料胚体经过多道次的多向锻造加工后，得到的复合材料内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小、性能优异的复合材料。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，通过专门添加单壁碳纳米管(SCNTs)作为增强相，提高了复合材料的强度；其制备过程产生少量的Al4C3也有增强铝基体的作用，同时铝基体中的合金化元素Zn、Cu、Mg、Mn和Si形成第二相固溶强化或者固溶铝中弥散强化。
2、本发明的高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，经过多向锻造进一步提高致密度和强度，其6061铝基复合材料具有优异的综合性能。实验测试表明，本发明得到的铝基复合材料的抗拉强度为220～320MPa，延伸率10～20％。
附图说明
图1为该高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料制备方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，以使本领域技术人员能够充分理解本发明的技术内容。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料以6061铝合金作为铝基的制备复合材料，通过添加较少的增强相单壁碳纳米管(SCNT)为0.05wt％～0.4wt％，而铝基体相6061铝合金为99.6wt％～99.95wt％。其中铝基体中6061铝合金粉末为预合金粉，该预合金粉依据下列组分配制而成，Si：0.4～0.8wt％；Zn：≤0.25wt％；Cu：0.15～0.4wt％；Mg：0.8～1.2wt％；Mn：≤0.15wt％；余量为Al。该单壁碳纳米管作为增强相，通过本发明专门的制备方法，有效提高铝基体的强度。其制备过程产生少量的Al4C3也有增强铝基体的作用，同时铝基体中的合金化元素Zn、Cu、Mg、Mn和Si形成第二相固溶强化或者固溶铝中弥散强化。
本发明还提供了高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料制备方法，该铝基复合材料的制备方法采用粉末冶金方法和多向锻造的复合加工方法，单壁碳纳米管/6061铝基复合材料，包括如下步骤：
a)将增强相单壁碳纳米管(SCNT)为0.05wt％～0.4wt％，铝基体为99.6wt％～99.95wt％的原料混合，得到混合粉末；该铝基体为6061铝合金粉末的预合金粉。
b)将步骤a)混合粉末进行真空热压烧结，烧结温度为520～580℃，压力5～10MPa；
c)将步骤b)得到的铝基复合材料胚体进行多向锻造和轧制复合工艺，得到高性能的铝基复合材料。
步骤a)为将原料混合的过程，为了使各种原料充分混合，采用球磨混合球磨30min停止30min共球磨120min优选为4循环次。本发明的混合方式主要采用真空干磨。作为优选方式，单壁碳纳米管的管径1～20纳米，长度0.5～30微米；6061预合金粉末的粒度为5～50微米，作为优选方案，本发明在预合金粉末原料中还添加了0.1～0.2wt％的分散剂使单壁碳纳米管在超声波中均匀分散。
步骤b)为混合粉末的真空热压烧结的过程，烧结压力优选为5MPa，对于压制方式可以选择本领域技术人员熟知的方式，如将混合粉末置于石墨模具中双向加压，放入烧结炉，烧结温度为550℃，压力5MPa，保温时间1小时。
步骤c)为的6061铝基复合材料进行多向锻造和轧制，使铝基复合材料胚体内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小、性能更优的复合材料；的多向锻造温度优选为350℃，道次优选为2道次。烧结后铝基复合材料进行多向锻造后铝基复合材料的强度和延伸率得到了进一步提高。
本发明在制备过程6061铝基复合材料过程中，经过粉末冶金烧结工序和多向锻造轧制工序得到了高性能的6061铝合金的铝基复合材料。在粉末烧结过程中，单壁碳纳米管在6061铝合金基体中均匀分布，有助于提高复合材料的强度，随后的多向锻造工艺进一步强化该铝基复合材料力学性能。
实施例1
(1)单壁碳纳米管为0.05wt％，超声波分散1小时，加入0.15wt％的吐温80分散剂，铝合金为99.95wt％的铝基体，真空干磨120分钟得到混合粉末；单壁碳纳米管的管径10～20纳米，长度20～30微米；6061预合金粉末的粒度为35～50微米，
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结，烧结温度550℃，压力5MPa得到胚体；
(3)将步骤(2)得到的胚体切割后进行多向锻造轧制加工，该多向锻造分三个方向分别变形20％进行锻造轧制，其锻造温度为350℃；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行力学性能检测，结果参见表1。
实施例2
(1)单壁碳纳米管为0.1wt％，超声波分散55min，加入0.2wt％的吐温80分散剂，基体铝合金为99.9wt％。真空干磨120分钟得到混合粉末；单壁碳纳米管的管径1～10纳米，长度10～20微米；6061预合金粉末的粒度为5～25微米，
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结，温度520℃，压力10MPa，得到胚体；
(3)将步骤(2)得到的胚体切割后进行多向锻造，锻造三个方向分别变形30％，29％，25％，锻造温度为300℃；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例3
(1)单壁碳纳米管为0.2wt％，超声波分散65min，加入0.15wt％的吐温80分散剂，基体铝合金为99.8wt％。真空干磨120分钟得到混合粉末；单壁碳纳米管的管径1～20纳米，长度15～30微米；6061预合金粉末的粒度为15～30微米；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结温度580℃，压力7.5MPa得到胚体；
(3)将步骤(2)得到的胚体切割后进行多向锻造，三个方向分别变形31％，27％，27％，锻造温度为250℃；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例4
(1)单壁碳纳米管为0.3wt％超声波分散65分钟，加入0.1wt％的吐温80分散剂，基体铝合金为99.7wt％。真空干磨120分钟得到混合粉末；单壁碳纳米管的管径1～20纳米，长度0.5～30微米；6061预合金粉末的粒度为5～50微米，
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结，温度350℃，压力6MPa，得到胚体；
(3)将步骤(2)得到的胚体切割后进行多向锻造，锻造三个方向分别变形40％，38％，35％，锻造温度为280℃；
实施例5
(1)单壁碳纳米管为0.4wt％超声波分散65分钟，加入0.1wt％的吐温80分散剂，基体铝合金为99.6wt％。真空干磨120分钟得到混合粉末；单壁碳纳米管的管径1～20纳米，长度0.5～30微米；6061预合金粉末的粒度为5～50微米，
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结，温度550℃，压力8.5MPa得到胚体；
(3)将步骤(2)得到的胚体切割后进行多向锻造，锻造三个方向分别变形30％，35％，40％，锻造温度为320℃；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
表1实施例制备的铝基复合材料的性能测试结果
组别 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 216 18.4
实施例2 248 16.3
实施例3 272 12.4
实施例4 296 11.2
实施例5 315 10.5
由表1可知，本发明提供的铝基复合材料具有较高的综合性能，可通过调节成分和加工工艺进行性能组合，具有广阔的应用前景。本发明的高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，经过多向锻造进一步提高致密度和强度，其6061铝基复合材料具有优异的综合性能。实验测试表明，本发明得到的铝基复合材料的抗拉强度为220～320MPa，延伸率10～20％。
需要指出的是，上述较佳实施例仅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 (10)

1.一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，包括单壁碳纳米管为0.05wt％～0.4wt％，铝基体为99.6wt％～99.95wt％；其中所述铝基体为预合金粉。
2.根据权利要求1所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，其特征在于：所述单壁碳纳米管的管径1～20纳米，长度0.5～30微米；所述预合金粉的粒度为5～50微米。
3.根据权利要求1或2所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝合金基复合材料，其特征在于：所述预合金粉组分为Si：0.4～0.8wt％；Zn：≤0.25wt％；Cu：0.15～0.4wt％；Mg：0.8～1.2wt％；Mn：≤0.15wt％；余量为Al。
4.根据权利要求3所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料，其特征在于：所述预合金粉中还添加了0.1～0.2wt％的分散剂。
5.根据权利要求1～4任一项所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1原料混合，分别称取单壁碳纳米管和铝基体预合金粉为原料；将所述单壁碳纳米管和铝基体原料在超声波分散混合均匀，得到混合粉末；
S2热压烧结，将步骤S1混合均匀的所述粉末进行热压烧结，得到6061铝合金的铝基复合材料胚体；
S3多向锻造，将步骤S2得到的所述铝基复合材料胚体进行多向锻造加工，得到高强塑性铝基复合材料。
6.根据权利要求5所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述混合为球磨混合，所述单壁碳纳米管和铝基体先球磨25～35min，停止25～35min，循环2～4次，共球磨混合115～125min。
7.根据权利要求5所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1所述超声波分散时间为55～65min。
8.根据权利要求5所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2所述热压烧结在真空中进行，所述热压烧结的压力为5～10MPa，烧结温度520～580℃。
9.根据权利要求5所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S3所述多向锻造的锻造道次为1～5道次，每道次变形量为25％～40％。
10.根据权利要求9所述一种高强塑性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S3所述多向锻造温度250～350℃。
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