一种纳米AlN和碳纳米管复合材料的原位合成方法及合成的复合材料和应用技术

本发明专利技术属于陶瓷材料领域，公开了一种纳米AlN和碳纳米管复合材料的原位合成方法及合成的复合材料和应用。合成方法包括以下步骤：首先将尿素、六水氯化铝、甲醇三种物质按照一定比例配制成溶液，加入适量催化剂乙酰丙酮镍，将所得溶液搅拌至完全溶解，干燥后得到固溶体催化剂前驱体粉末；再将所得固溶体置于管式炉中通入氮气，加热至反应温度，反应一段时间后冷却至室温，得到AlN和碳纳米管的复合材料。本发明专利技术利用化学合成中的残余碳，通过控制催化剂的含量、热处理工艺控制碳纳米管的形貌和含量，获得了一种AlN粉体和碳纳米管复合材料原位合成的方法，同时实现了碳纳米管的分散性、结晶性和形貌的可控生长。结晶性和形貌的可控生长。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米AlN和碳纳米管复合材料的原位合成方法及合成的复合材料和应用


[0001]本专利技术属于陶瓷材料领域，特别涉及一种纳米AlN和碳纳米管复合材料的原位合成方法及合成的复合材料和应用。

技术介绍

[0002]碳纳米管(CNTs)自从被发现以来就为科学界所关注，其中的碳
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碳sp2杂化是自然界中最强的化学键之一，因此CNTs具有很高的强度和韧性。单壁碳纳米管的杨氏模量理论估计可高达5TPa，科学家实验测得多壁碳纳米管得杨氏模量平均达1.8TPa，弯曲强度14.2GPa，抗拉强度是钢的100倍，而密度只有钢的1/6，可能是目前比强度和比刚度最高的材料。因此其在复合材料领域有很大的应用前景。
[0003]氮化铝(AlN)具有高导热性能(氮化铝的理论热导率为320W/(m
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K)，高电阻率，低介电常数和低的热膨胀系数，广泛应用于新一代半导体基片和电子器件封装材料中，目前全球氮化铝应用市场处于高速成长期，对氮化铝的需求也在持续增长。氮化铝粉体作为填料填充到聚合物中，可以明显提高聚合物的热导率，但是氮化铝的高添加量会提高聚合物的密度，降低力学性能。
[0004]高热导率的碳纳米管是导热填料的优选，可以在低的填充体积下获得较高的热导率。但是，碳纳米管在聚合物基体中极易发生团聚，一般通过对碳纳米管进行掺杂或者在碳纳米管中引入陶瓷填料构成复配填料体系来实现其高导热特性。此外，碳纳米管也被广泛应用于材料的增韧补强中。
[0005]申请号为200710035401.0、公开号为CN100469736C、公开日为2009.03.18、名称为一种碳纳米管增强氮化铝复合材料的制备方法的专利技术专利公布了一种以氮化铝为基体，碳纳米管为增强相，通过添加烧结助剂制备该复合材料的方法。该专利将增强相碳纳米管通过在沸碱溶液与沸酸溶液化学提纯、超声分散后，将基体氮化铝、分散后的碳纳米管和烧结助剂(氧化钇、氟化钙)混合，经球磨分散成混合浆料，混合浆料经干燥、研磨和过筛，再进行1700℃～1850℃热压烧结，最终形成碳纳米管增强氮化铝复合材料。该制备方法显示了碳纳米管对氮化铝陶瓷的增强补韧作用，也是陶瓷材料力学性能提升的主要手段之一，但是复合材料制备过程中依然存在碳纳米管的分散以及各个材料间的界面问题。
[0006]申请号为201210298811.5、公开号为CN102807204A、公开日为2012.12.05、名称为一种制备氮化铝/碳纳米管复合材料的方法的专利技术专利公布了一种以尿素、无水乙醇、氯化铝为原料制备该复合材料的方法。该专利通过将尿素溶解在无水乙醇中，配制成尿素乙醇溶液；将碳纳米管分散在去离子水或乙醇溶液中，超声后加入到尿素乙醇溶液中，搅拌得到碳纳米管尿素混合溶液；将氯化铝盐溶解在无水乙醇中，配制成铝盐乙醇溶液，在适宜温度下，边搅拌边将其滴加到碳纳米管尿素混合溶液中，滴加完后继续搅拌一段时间；对产物进行抽滤，干燥；将干燥后的产物放入气氛保护管式炉中，通入氮气，升温至850～1000℃保温，在氮气保护下冷却至室温，得到氮化铝/碳纳米管复合材料。该制备方法中，需要额外添
加碳纳米管做原料，不能在氮化铝的制备过程中原位生长出碳纳米管，因此所得的复合材料存在较大的界面热阻。
[0007]申请号为201510162216.2、公开号为CN104876206A、公开日为2015.09.02、名称为一种氮化铝陶瓷包覆碳纳米管及其制备方法的专利技术专利公布了一种以聚铝氧烷的极性溶剂和有机碳源的非极性溶剂制备氮化铝前驱体包覆多壁碳纳米管的方法。该专利将分别溶解有聚铝氧烷和有机碳源的溶剂混合后，加入碳纳米管并超声波处理；一定温度下缓慢挥发溶剂，实现聚铝氧烷和有机碳源在碳纳米管表面的有序沉积，随后进行前驱体裂解及陶瓷化处理，得到氮化铝包覆碳纳米管。该制备方法工艺步骤多、流程复杂，且需要额外加入碳纳米管做原料，即使产物中碳纳米管分散均匀，但由于碳纳米管不是在氮化铝的制备过程中原位生长出的，因此所得的复合材料仍然存在较大的界面热阻。

技术实现思路

[0008]为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种纳米AlN和碳纳米管复合材料的原位合成方法；该方法具有原材料易得、生产成本低、工艺简单、无污染不危险、原位合成的特点。
[0009]本专利技术的又一目的在于提供一种上述合成方法合成的纳米AlN和碳纳米管复合材料。
[0010]本专利技术的再一目的在于提供一种上述纳米AlN和碳纳米管复合材料的应用。
[0011]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0012]一种纳米AlN和碳纳米管复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：
[0013]S1、将摩尔比为12：1的尿素和六水氯化铝加入到甲醇溶液中，搅拌溶解得到透明稳定的前驱盐溶液；
[0014]S2、在步骤S1所述前驱盐溶液中加入催化剂乙酰丙酮镍，搅拌溶解后得到含催化剂的前驱盐溶液；所述乙酰丙酮镍的用量为步骤S1中尿素质量的1％～10％；
[0015]S3、将步骤S2所述含催化剂的前驱盐溶液在60～80℃真空烘箱中烘干，得到前驱体粉末；
[0016]S4、把步骤S3中制备的前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛保护下下，以3℃/min的升温速率从室温升至1000℃，保温6h后随炉降温，通过原位生长获得纳米AlN和碳纳米管复合材料。
[0017]步骤S4中所述氮气气氛的流速≥0.5L/min。
[0018]一种由上述的合成方法合成的纳米AlN和碳纳米管复合材料。
[0019]上述的纳米AlN和碳纳米管复合材料在相变储能中的应用。
[0020]本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0021](1)本专利技术所需要的原料来源于商业购买，都是廉价易得的产品，生产成本低，原材料的安全系数较高；
[0022](2)本专利技术中涉及到的煅烧仅采用商业常见的管式炉，所需煅烧温度较低，反应过程没有释放有毒产物，没有采用安全系数低的保护气氛或原料；
[0023](3)本专利技术以尿素为氮源，有效利用有机物裂解过程中的碳的残余，通过煅烧工艺和催化剂含量的控制，便可获得纳米AlN和碳纳米管原位生长的复合材料，其中碳纳米管的
结晶性、形貌以及在AlN中的分布随催化剂含量增加出现规律性的可控生长。
附图说明
[0024]图1为实施例中升温工艺图。
[0025]图2为不同用量乙酰丙酮镍煅烧所得复合材料的XRD图。
[0026]图3是实施例1制备的纳米AlN和碳纳米管复合粉体的扫描电镜照片。
[0027]图4是实施例1制备复合粉体的能谱图。
[0028]图5是实施例2制备的纳米AlN和碳纳米管复合粉体的扫描电镜照片。
[0029]图6是实施例2制备的复合粉体的能谱图。
[0030]图7是实施例2制备的复合粉体与纯AlN粉体热导率的比较。
[0031]图8是实施例3制备的纳米AlN和碳纳米管复合粉体的扫描电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米AlN和碳纳米管复合材料的原位合成方法，其特征在于包括以下步骤：S1、将摩尔比为12：1的尿素和六水氯化铝加入到甲醇溶液中，搅拌溶解得到透明稳定的前驱盐溶液；S2、在步骤S1所述前驱盐溶液中加入催化剂乙酰丙酮镍，搅拌溶解后得到淡绿色的含催化剂的前驱盐溶液；所述乙酰丙酮镍的用量为步骤S1中尿素质量的1％～10％；S3、将步骤S2所述含催化剂的前驱盐溶液在60～80℃真空烘箱中烘干，得到前驱体粉末；S4、把步骤S3中制备的前驱体粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：程艳玲，习鑫鑫，黄豪贤，雷骏，林华泰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：