本发明专利技术提供了一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，该方法采用浆料混合法或者原位生长法预先制备碳纳米管/纯铝的片状复合粉末；再将片状复合粉末与铝合金粉末按照一定比例混合，最后经过致密化、烧结、热变形加工及热处理获得碳纳米管增强铝合金复合材料。本发明专利技术规避了碳纳米管在铝合金粉末中均匀分散所涉及的难分散、易水解等问题，有利于制备出高强度、高模量、高塑性的碳纳米管/铝合金复合材料。
【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管增强绍合金复合材料的粉末冶金制备方法
本专利技术涉及金属基复合材料
，具体地，涉及。
技术介绍
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
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，不仅要求高的强度，还要求更高的模量。常规的合金化虽然可以大幅度提高强度、但无法提高模量。复合化是目前解决铝合金模量偏低问题的最重要途径。其中，碳纳米管由于密度比铝低，并具有超高的强度和模量，是铝合金的理想增强体。将碳纳米管加入到铝合金中，有望获得轻质高强度高模量的铝基复合材料，近十年来逐渐成为研究开发热点。然而，碳纳米管在铝合金中的均匀分散一直是复合材料制备的核心难题。近年来，随着研究的不断深入，采用基于料浆分散和高能球磨的粉末冶金技术路线，在很大程度上破解了这一技术难题，成为碳纳米管增强铝基复合材料的主要制备方法。但是，Cu、Zn等合金成分含量较高的高强度铝合金，极易在碳纳米管分散液中发生水解，因此不适用于料浆分散工艺；另一方面，由于高强铝合金粉末的强度较高，其本身变形能力差，必须与碳纳米管经过长时间共同球磨才能实现分散，使得碳纳米管的结构容易被破坏，从而降低了碳纳米管的增强效果。因此，只有找到合适的粉末冶金技术路线，并藉以实现碳纳米管在铝合金粉末中的均匀分散，从而发挥合金强化和碳纳米管复合强化双重机制，才能满足航空航天、国防军工等领域对于轻量化、高强度和高模量等方面的应用要求。经过对现有技术文献的检索发现，Dong H.Nam等人发表的论文《Synergisticstrengthening by load transfer mechanism and grain refinement of CNT/A1 - Cucomposites》(Carbon50 (2012) 2417-2423)，将羧基化碳纳米管与醋酸铜和氢氧化钠水溶液混合，利用分子水平混合方法，获得CNT/CuO复合粉末,然后在氢气气氛中还原成CNT/Cu复合粉末，再将CNT/Cu复合粉末加入到纯铝粉末中进行球磨，最终制得了 CNT/Al-Cu复合材料。但是该方法仅限于能够采用分子水平混合的合金元素，如铜、钴元素，对于无法从氧化物形式还原获得的合金元素，如铝、锌、镁、硅等，该方法并不可行。即以上方法的适用范围非常有限。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供，该方法可在不破坏碳纳米管的前提下实现碳纳米管在各种铝合金中的均匀复合，从而充分发挥复合强化和合金强化双重机制，得到力学性能优异的碳纳米管增强招合金复合材料。为实现以上目的，本专利技术提供，该方法采用浆料混合法或者原位生长法预先制备碳纳米管/纯铝的片状复合粉末；再将片状复合粉末与铝合金粉末按照一定比例混合，最后经过致密化、烧结、热变形加工及热处理获得碳纳米管增强铝合金复合材料。在碳纳米管/纯铝中加入高强度铝合金，有利于提高复合材料整体的强度和塑形。本专利技术规避了碳纳米管直接在铝合金粉末中均匀分散所涉及的难分散、易水解等问题，有利于最大限度发挥碳纳米管复合强化和合金强化效果，且节能省时，安全易行。本专利技术所述方法具体步骤包括:( I)将球形纯铝粉末球磨成纳米片状铝粉；(2)在片状铝粉表面均匀吸附或者原位生长碳纳米管，获得碳纳米管均匀分散的碳纳米管/纯铝的片状复合粉末；(3)将上述碳纳米管/纯铝的片状复合粉末与铝合金粉末均匀混合，并在保护气氛下球磨使得复合粉末发生冷焊，得到碳纳米管/铝合金复合颗粒；(4)对上述复合粉末进行致密化和烧结处理，得到复合锭坯；并通过热变形加工和热处理，得到碳纳米管增强铝合金复合材料。优选地，所述铝合金粉末，可以为铝合金的一种或几种，形状方面可以是片状的或者球形的。优选地，所述球形纯铝粉末，应满足平均粒径D50介于10~200 μ m之间。优选地，所述纳米片状铝粉，应满足径厚比大于100，厚度介于50nm~Ιμπι之间，片径在5~500 μ m之间。优选地，所述球磨包括湿磨或干磨，湿磨溶剂选自水、乙醇或煤油中的一种；所述球磨过程需加入过程控制剂，控制剂选自甲醇、乙醇、钛酸酯、油酸、咪唑啉或硬脂酸中的一至多种。优选地，所述片状复合粉末，应满足径厚比大于10,厚度介于50nm_5 μ m之间，片径在5-500 μ m之间。优选地，所述碳纳米管，应满足具有单壁或多壁结构，直径小于lOOnm，长径比大于100。优选地，所述保护气氛下球磨使得复合粉末发生冷焊，保护气氛选自氩气、氮气中的一种，球磨时间为15-60分钟，球磨转速300-500转/min。优选地，所述碳纳米管/铝合金复合颗粒，尺寸应该在0.2_2mm之间，有利于装填成坯。优选地，所述致密化过程为冷压或冷等静压；所述烧结过程为气氛烧结、真空热压烧结、放电离子束烧结或热等静压烧结，烧结温度应高于球磨控制剂分解温度但低于复合粉末的熔点。优选地，所述热变形加工，包括热锻、热轧或热挤压中的一至多种。优选地，所述碳纳米管增强铝合金复合材料中，铝合金含量在5~90%范围内，碳纳米管的含量在质量百分含量0.1~5%范围内任意调控。优选地，所述碳纳米管增强铝合金复合材料的室温屈服强度大于300MPa，抗拉强度大于450MPa，延伸率大于8%。本专利技术以碳纳米管/纯铝的片状复合粉末的方式将碳纳米管引入到铝合金中，避免了浆料混合过程中铝合金的水解，和碳纳米管与铝合金的直接球磨对碳纳米管的破坏。碳纳米管/纯铝片状粉末与铝合金的相容性好，无需长时间的扩散固溶。另外，采用微纳米片状纯铝粉末为原料，可以提高碳纳米管在纯铝粉中均匀分散的最大含量和均匀性；利用浆料混合粉均匀吸附碳纳米管或者原位法生长碳纳米管可以避免对碳纳米管结构完整性的破坏。相对于分子水平混合法制备CNT/Al-Cu复合材料，本方法可用于制备任何成分的碳纳米管增强铝合金材料，通过改变引入的碳纳米管/纯铝片状粉末的含量，以及铝合金的成分和含量，可以制备出不同强度、塑性、模量的复合材料，可以满足不同的应用需求。本专利技术采用球形纯铝为原料，是因为纯铝对水解和热处理不敏感，可利用浆料混合法或者原位生长法将碳纳米管分散到纯铝表面。将球形铝粉球磨成纳米片状铝粉，可大大增加其与碳纳米管的接触面积，在浆料混合和原位生长过程中，帮助分散碳纳米管，提高复合粉末中的碳纳米管含量。本专利技术中碳纳米管/纯铝与铝合金混合后再进行短时间的球磨，以促进碳纳米管与铝基体的界面结合。相比于传统的高能球磨，球磨时间短，对碳纳米管的破坏小。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果:(I)采用碳纳米管/纯铝复合粉末为原料，避免了料将共混过程中碳纳米管直接与铝合金复合过程中的水解或高能球磨过程中碳纳米管结构的严重破坏；(2)复合粉末球磨过程仅以促进碳纳米管与铝的界面结合为目标，球磨时间短，对碳纳米管结构破坏小，有利于充分发挥碳纳米管的增强效果；(3)合金粉末的加入，不限于合金成分和粉末形貌。(4)铝合金的含量，碳纳米管的含量可在质量百分含量0.1~5%范围内任意调控；(5)制备方法适用范围广，节能省时，工艺可靠高效，利于规模化生产。【附图说明】通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，该方法具体步骤包括：（1）将球形纯铝球磨成纳米片状铝粉；（2）在片状铝粉表面均匀吸附或者原位生长碳纳米管，获得碳纳米管均匀分散的碳纳米管/纯铝的片状复合粉末；（3）将上述碳纳米管/纯铝的片状复合粉末与铝合金粉末均匀混合，并在保护气氛下球磨使得复合粉末发生冷焊，得到碳纳米管/铝合金复合粉末；（4）对上述复合粉末进行致密化和烧结处理，得到复合锭坯；（5）对上述复合锭坯进行热变形加工和热处理，得到碳纳米管增强铝合金复合材料。
【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，该方法具体步骤包括: (1)将球形纯铝球磨成纳米片状铝粉； (2)在片状铝粉表面均匀吸附或者原位生长碳纳米管，获得碳纳米管均匀分散的碳纳米管/纯铝的片状复合粉末； (3)将上述碳纳米管/纯铝的片状复合粉末与铝合金粉末均匀混合，并在保护气氛下球磨使得复合粉末发生冷焊，得到碳纳米管/铝合金复合粉末； (4)对上述复合粉末进行致密化和烧结处理，得到复合锭坯； (5)对上述复合锭坯进行热变形加工和热处理，得到碳纳米管增强铝合金复合材料。2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述球形纯铝粉末，应满足平均粒径D50介于10~200 μ m之间。3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述纳米片状铝粉，应满足径厚比大于100，厚度介于50nm~mm之间，片径在5~500 μ m之间。4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述碳纳米管应满足具有单壁或多壁结构，直径小于lOOnm，长径比大于100。5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述片状复合粉末，应满足径厚比大于10，厚度介于50nm~5 μ m之间，片径在5~500 μ m之间。6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝合金复合材料的粉末冶金制备方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：范根莲，李志强，谭占秋，魏辉，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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