纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米碳管和纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法，复合材料包括质量百分比分别为：纳米碳管：0.5‑5％、TiC：18‑38％，Al：60‑80％。制备方法包括：(1)纳米碳管超声分散；(2)前驱粉体CNTs‑Ti‑Al的制备；(3)压坯、烧结及致密化一体化。此工艺将CNTs‑Ti‑Al体系中的部分CNTs作为碳源与合金粉末Ti发生反应引入原位内生的纳米陶瓷颗粒，反应后剩余的CNTs作为增强相。TiC的生成可改善CNTs与Al基体间润湿性差、界面结合强度不高的问题，实现Al基复合材料中不同维度的双增强相(CNTs+TiC)之间耦合交互协同强化基体，极大的提高了复合材料的综合性能，具有重要的应用价值。

Hybrid Reinforced Aluminum Matrix Composites with Carbon Nanotubes and Endogenous Nano-TiC Particles and Their Preparation Method

The invention discloses a nano-carbon tube and nano-TiC particle hybrid reinforced aluminium matrix composite material and a preparation method thereof. The composite material includes: nano-carbon tube: 0.5 5%, TiC: 18 38%, Al: 60 80%, respectively. The preparation methods include: (1) ultrasonic dispersion of carbon nanotubes; (2) preparation of precursor powder CNTs Ti Al; (3) integration of compaction, sintering and densification. In this process, part of CNTs in CNTs Ti Al system were used as carbon source to react with alloy powder Ti to introduce in-situ endogenous nano-ceramic particles, and the remaining CNTs after reaction were used as reinforcing phase. The formation of TiC can improve the poor wettability and low interfacial bonding strength between CNTs and Al matrix, realize the coupling interaction and synergistic strengthening of matrix between CNTs+TiC of different dimensions in Al matrix composites, greatly improve the comprehensive properties of composites, and has important application value.

【技术实现步骤摘要】
纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及铝基复合材料，尤其涉及一种纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法。
技术介绍
铝基复合材料在军事、航空、航天以及民用领域具有重大的应用价值和广泛的应用潜力，是目前装备制造、高速列车、军事军工、航空航天、核电材料等领域最重要的轻量化高性能材料之一。但随着科学技术的飞速发展，工业及军事技术需求不断提高，对高性能轻质结构材料要求业越来越高，不仅要求其具有优异的结构性能，还要求其兼备多功能响应特性。因此，还需不断提高铝基复合材料的综合性能。纳米碳管(CarbonNanotubes，CNTs)具有一维管状结构和优异的力学、物理、化学特性，如高抗拉强度(50-200GPa，约为钢的100倍)、较低的密度(1.2-2.1g/cm3，钢的1/6-1/7)、极高的弹性模量(与金刚石相当)、显著的高导热系数(超过3000W/m·K)和低热膨胀系数(1.0×10-6K)等，这种独特的结构和卓越的综合性能使得纳米碳管在强化金属基复合材料领域显现出巨大的应用前景，被认为是最理想的增强相。但纳米碳管与Al基体润湿性不好、界面处易发生有害反应，界面结合性较差；此外，因碳管具有较高的比表面能和范德华力，导致其在基体中不易分散，极易出现团聚和缠绕现象。目前研究表明，将CNTs作为唯一增强相制备的金属基复合材料的性能远未达到理论值。而纳米碳化物陶瓷颗粒作为各向同性的纳米硬质增强相，除具有高强度、高硬度、高耐磨性和高热稳定性等优点之外，原位内生工艺还使陶瓷颗粒在基体中易实现均匀分布，且与基体间界面干净、结合强度高，但陶瓷颗粒的综合性能逊色于CNTs，在金属基复合材料领域依靠单一纳米陶瓷颗粒增强金属，其性能提高程度已达到瓶颈，很难再有很大的突破。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供了一种纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法，复合材料为一维和三维双相协同增强的CNTs-TiC/Al复合材料；制备方法将CNTs、Ti和Al的混合粉体通过反应热压烧结制备一维和三维双增强相混杂的CNTs-TiC/Al复合材料，并调控CNTs和TiC的百分含量，实现Al基复合材料中不同维度的双增强相CNTs-TiC混杂分布。技术方案：本专利技术的纳米碳管(CNTs)和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料，包括质量百分比为0.5-5％的纳米碳管、18-38％的TiC以及60-80％的Al，优选1.82-4.61％的纳米碳管、18.18-36.37％的TiC以及60-80％的Al。上述纳米碳管(CNTs)和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米碳管、Ti和Al的混合粉体装入石墨模具中进行压坯，得到坯块；(2)将步骤(1)中得到的坯块在真空系统和500-600℃条件下保温5-50min，使目标温度与实际温度、炉膛与坯块内外温度一致；然后继续加热至压力突然升高时，迅速加压至40-100MPa，同时停止加热并冷却到室温，完成粉体混合物的热压烧结和致密化，得到所述复合材料。所述复合材料中CNTs和TiC陶瓷颗粒的质量百分含量为20-40％。步骤(1)中所述纳米碳管、Ti和Al混合粉体制备包括以下步骤：(1-1)称取Al粉、Ti粉，加入到纳米碳管乙醇悬浮液中并进行电磁搅拌、超声震荡，得到混合物乙醇溶液；其中，所述的电磁搅拌时长为0.5-5小时，转速为100-3000r/min；超声震荡时长为1-4小时，频率为20-60KHz。(1-2)使用旋转蒸发仪对步骤(1-1)中得到的混合物乙醇溶液进行干燥，去除酒精溶剂后得到粉体混合物。其中，将蒸发烧瓶置于40-80℃的恒温水浴锅中1-4小时，烧瓶旋转速度为50-200r/min，瓶内溶液负压为200-800毫米汞柱。(1-3)将步骤(1-2)中得到的粉体混合物放入二氧化锆球磨罐内，球磨罐密封好后安装于卧式混料机上，采用二氧化锆磨球混合12-72h，得到所述纳米碳管、Ti和Al混合粉体。其中，所述卧式混料机的转速设置为20-120r/min；ZrO2磨球和混合粉末的质量比为8-13:1，粉体及氧化锆磨球的总体体积不超过球磨罐容量的80％。步骤(1-1)中，所述纳米碳管乙醇悬浮液的制备包括将纳米碳管加入到乙醇中在室温条件下进行超声波搅拌至纳米碳管团分散成线状悬浮液的步骤。其中，超声波频率为20-60KHz，搅拌时长为1-4小时。步骤(1)中，所述混合粉体中纳米碳管、Ti以及Al的质量百分含量分别为5.45-10.90％、14.55-29.10％、60-80％；CNTs:Ti的摩尔比为1.5-2.5:1，CNTs:Ti的质量比为1:2.67-1.6。所述纳米碳管为多壁结构，外径为5-30nm、长度为5-60μm、纯度>95.0％；Al粉的粒度为200-2000目、纯度>99.95％；Ti粉的粒度为500-3000目、纯度>99.95％。所述压坯采用液压的方式。压坯具体步骤为：将CNTs、Ti和Al的混合粉体装入石墨模具中，将装有粉体混合物的石墨模具放入真空热压烧结炉中，设置预压力0.1-0.5吨，关闭炉门，启动抽真空系统，并观察真空度显示窗示数，待真空度显示炉内压力低于0.8×10-3Pa后，打开加热电源，以10-40K/min的升温速率，加热至100-300℃，保温30-60min，以除湿除气；在保温状态持续15min后，启动液压系统，以0.2-1吨的力逐级加压至压力值达到15-60MPa，保压5-10min；然后以0.5-1吨的力逐级减压，保留预压力0.1-0.5吨，完成粉体混合物的压坯。将多壁碳纳米管、Ti和Al的混合粉体装入石墨模具前还包括将石墨模具中混合粉体能够接触的部位涂抹六方氮化硼乙醇溶液的步骤。具体步骤为：将六方氮化硼粉末调制成稀薄的六方氮化硼乙醇溶液，然后，将六方氮化硼溶液涂抹在石墨模具的套筒内壁、垫片、压头等能够与粉体接触的部位，等待2min以上，酒精挥发后，将粉体混合物装入石墨模具中。其中，六方氮化硼粉末的粒度为0.5-5μm。所述的石墨模具为热等静压高强石墨模具，外套筒为圆形，外套筒与内套筒外表面采用锥面配合，锥角3-8°；内套筒可采用整体式或分两瓣式，厚度大于10mm，套筒横断面形状可以为圆形或带倒圆角的方形，圆形内径20-80mm，方形长、宽20-100mm，倒角半径3-10mm，套筒高度100-220mm，石墨垫片厚度3-8mm，压杆横断面形状和高度与套筒横断面形状和高度保持度一致，压杆与套筒内表面间隙配合，双边间隙值小于0.1mm。步骤(2)中，以10-60K/min的升温速率加热至500-600℃。步骤(2)中，保温5-50min后，以40-100K/min的升温速率继续加热至压力突然升高。综上所述，纳米碳管(CNTs)和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1：将纳米碳管加入到乙醇中，然后在室温条件下，在20-60KHz的超声波中搅拌1-4小时，将纳米碳管团分散成线状悬浮液。其中，纳米碳管的浓度为3-5g/L，优选3.5-4.8g/L，为多壁结构，外径：5-30nm，长度：5-60μm，纯度>本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料，其特征在于：包括质量百分比为0.5‑5％的纳米碳管、18‑38％的TiC以及60‑80％的Al。

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料，其特征在于：包括质量百分比为0.5-5％的纳米碳管、18-38％的TiC以及60-80％的Al。2.一种纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纳米碳管、Ti和Al的混合粉体装入石墨模具中进行压坯，得到坯块；(2)将步骤(1)中得到的坯块在真空系统和500-600℃条件下保温5-50min，然后继续加热至压力突然升高时，迅速加压至40-100MPa，同时停止加热并冷却到室温，得到所述复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述纳米碳管、Ti和Al混合粉体制备包括以下步骤：(1-1)称取Al粉、Ti粉，加入到纳米碳管乙醇悬浮液中并进行电磁搅拌、超声震荡，得到混合物乙醇溶液；(1-2)对步骤(1-1)中得到的混合物乙醇溶液进行干燥，得到粉体混合物。(1-3)将步骤(1-2)中得到的粉体混合物磨球混合12-72h，得到所述纳米碳管、Ti和Al混合粉体。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(1-1)中，所述纳米碳管乙醇悬浮液的制备包括将...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏宇，刘林，邱丰，舒世立，陈靓瑜，邵勇，黄忠富，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32