使用纳米碳化硅涂层硬化碳材料界面的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过使用纳米碳化硅涂层硬化碳材料界面的方法。通过所述公开的方法制备的碳材料-铝复合材料的重量轻，并且具有高动力强度，因此可以用于当前使用的轿车和铝车轮。此外，该复合材料可以用作要求高强度的飞行器、宇宙飞船、舰船等的材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种使用纳米碳化娃涂层(coating)硬化碳材料界面(interface)的方法。
技术介绍
在日常生活中，铝有多种用途，从厨房所用铝箔到一次性餐具、窗户、汽车、飞行器(aircraft)、宇宙飞船等等。铝的重量轻(大约只有铁重量的三分之一)，并且可以与其它金属炼制高強度的合金。而且，铝的化学性质稳定，因为其表面附着的ー层化学性质稳定的氧化膜，抑制水分或氧气等对其造成的腐蚀。此外，由于其具有比传统的铁重量轻的特性有助于提高燃料效率，铝还被用作汽车、飞机等的零件材料。然而，相比于铁，铝的抗张强度 (tensile strength)只有铁的40%。因此，铝作为结构材料就大大增加了结构铝管道或铝面板的厚度，从而需要大量的材料，导致所需材料成本过高的问题。同时，通常已知的碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)因其特征结构而具有高的机械性能。多壁碳纳米管和碳纤维的抗张强度分别是63GPa (http ://en. wikipedia. org/wiki/Carbon nanotube)和 3. 5GPa (东_エ业公司(Toray industries))。已经有方法提出使用这样的碳纳米管来制备高强度的碳纳米管/铝复合材料(composite material)。制备方法包括粉末冶金法(powder metallurgical method),其中铝或者铝合金粉末与碳纳米管混合，并且加压加热；半熔融搅拌凝固法(semi-fusionstirring solidifying method),其中半熔融的招合金在连续搅拌下同时加入预定量的碳纳米管；以及熔融/加压浸溃法(melting/pressurizing impregnation method),其中熔融的铝合金使用多孔预制体浸溃，并且与加压过的碳纳米管复合。然而，当使用这些制备方法吋，由于铝和碳纳米管的比重差异很大，导致碳纳米管很难均匀地分散在铝金属中。当使用熔融/浇铸法来使其均匀分散吋，同样存在ー个问题，即由于铝和碳之间的共价键导致碳材料的分解。为了解决这样的问题，已经进行了各种研究，比如通过使用碳纳米管，并调整其尺寸(size)来制备纳米颗粒的方法(韩国专利申请No. 10-2010-0010573)，和将碳材料包封到铝中的方法，等等。因此，本专利技术是为了解决现有技术中出现的上述问题。具体而言，通过使用球磨(ball mill)和高频热处理，使碳材料(如碳纳米管)表面涂覆上納米碳化硅。此外，在熔融/浇铸过程中，使用叶轮搅拌法将碳材料均匀分散到铝中，同时抑制铝和碳材料之间形成共价键。与常规的铝相比，该方法显著改进了铝的机械性能。
技术实现思路
技术问题本专利技术的ー个目的是提供ー种通过在碳材料上涂覆纳米碳化硅来硬化碳材料界面的方法。本专利技术的另ー个目的是提供一种通过使用碳材料来增强铝的机械强度的方法。本专利技术进一歩的目的是提供一种铝复合材料，其中包封了具有高机械强度的碳材料。技术方案为了实现上述目的，本专利技术提供ー种形成Si-C共价键的方法，该方法包括以下步骤(a)通过混合娃纳米颗粒和碳材料,制备娃-碳材料混合物；以及(b)对该娃-碳材料混合物通过高频感应进行热处理。在一方面，本专利技术提供ー种硬化碳材料界面的方法，该方法包括以下步骤(a)通过混合娃纳米颗粒和碳材料，制备娃-碳材料混合物；以及(b)对该娃-碳材料混合物通过闻频感应进行热处通。 在另一方面，本专利技术提供一种将碳材料包封到铝中的方法，该方法包括以下步骤(a)通过混合娃纳米颗粒和碳材料,制备娃-碳材料混合物；(b)对该娃-碳材料混合物通过高频感应进行热处理以形成Si-C共价键；以及(C)混合形成有该Si-C共价键的该碳材料和该铝，然后进行球磨。该方法可以进一歩包括将铝加入到混合了该碳材料的该铝中的步骤，然后进行熔融，以便提高铝的机械强度。在本专利技术中，所述碳材料可以选自石墨、石墨纤维、碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管所组成的组中，但是本专利技术并不限制于此。已知目前使用的碳材料的直径为O. 4nm到16 μ m，长度为IOnm到10cm。具体地，基于最进报道的数据(科学(Science) 292，2462(2001))，碳纳米管的最小直径尺寸为O. 4nm，碳纤维(商业化产品)的最大直径为16 μ m(台湾碳素科技公司(Taiwan Carbon Technology Co))。本专利技术中用作碳材料的多壁碳纳米管的直径为IOnm到20nm，长度为10 μ m到20 μ m。然而，根据本专利技术的方法并不局限于上述的碳材料尺寸。在本专利技术中，所述硅纳米颗粒通过球磨制备，目的是调整硅粉的尺寸。在此，硅粉和碳材料的混合比可以在I重量％到50重量％范围内。硅粉和碳材料连同球一起被引入到不锈钢容器中，然后在惰性气体气氛中进行球磨。球磨在100转数/分钟(rpm)到5000rpm进行I小时到10小吋。然而，根据本专利技术的方法并不局限于上述的转速(rpm)和时间。在本专利技术中，调整硅粉尺寸的方法主要包括使用球碾磨的步骤，和使用碳纳米管碾磨的步骤(韩国专利申请10-2009-0009366)。图2是本专利技术原理的概念视图。为了实现本专利技术，如图2a所示，在球磨期间必须将使用球研磨的步骤优先进行。随着使用球对粉末颗粒进行研磨步骤的进行，颗粒通常接合在一起而不能再进行研磨。由于该原因，使用球磨机通过碾磨法来减小颗粒尺寸是有局限的；而同时，使用碳纳米管能阻止颗粒接合在一起。进ー步地，使用碳纳米管碾磨颗粒。图2b示出的概念视图是碳纳米管碾磨微米级颗粒至纳米级颗粒的原理。在本专利技术中，“混合”指使用球磨机混合，并且对硅-碳材料混合物进行球磨以均匀混合具有已调整尺寸的硅粉和碳材料。硅粉和碳材料的混合比在10重量％到80重量％的范围内。硅粉和碳材料连同球一起被引入到不锈钢容器中，然后在惰性气体气氛中进行球磨。球磨在IOOrpm到5000rpm进行I分钟到2小时。然而,根据本专利技术的该方法并不局限于上述的转速(rpm)和时间。在本专利技术中，为了在硅/碳材料混合物中形成Si-C共价键，使用高频感应炉进行热处理。硅/碳材料混合物被引入到石墨坩埚中，并且在真空中通过高频感应进行热处理。热处理在900°C到1500°C下进行I分钟到I小吋。然而，根据本专利技术的方法并不局限于上述热处理的温度和时间。在本专利技术中，为了包封含有Si-C共价键的碳材料于铝粉中，将球磨在IOOrpm到500rpm进行I小时到12小吋。然而，根据本专利技术的方法并不局限于上述球磨的转速(rpm)和时间。在本专利技术中，额外的铝进一歩地加入到混合了碳材料(包封于铝中)的铝中，并且在500°C到700°C下融化I小时到3小时，然后使用叶轮进行搅拌。在真空中，搅拌在IOOrpm到500rpm进行10分钟到2小时。在本专利技术中，高频在IOOHz到400kHz的范围内，具体地，在6kHz到7kHz的范围内。 另外，本专利技术提供了ー种碳材料-铝复合材料，该材料具有通过上述方法制备的铝的高机械强度。有益效果根据本专利技术制备的碳材料-铝复合材料重量轻，并且具有高动カ强度，因此可以用于当前使用的轿车和铝车轮。此外，该复合材料可以用作要求高強度的飞行器、宇宙飞船、舰船等的材料。附图说明图I是根据本专利技术的一个实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2011.02.22 KR 10-2011-00155771.ー种形成Si-C共价键的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 (a)通过混合娃纳米颗粒和碳材料,制备娃-碳材料混合物；以及 (b)对该硅-碳材料混合物通过高频感应进行热处理。2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述碳材料是选自石墨、石墨纤维、碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管所组成的组中的至少ー种。3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述碳材料的直径为O.4nm到16 μ m，长度为IOnm到IOcm04.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述硅纳米颗粒通过球磨制备。5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述硅-碳材料混合物通过球磨混合。6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述高频在IOOHz到400kHz的范围内。7.一种用于硬化碳材料界面的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 (a)通过混合娃纳米颗粒和碳材料,制备娃-碳材料混合物；以及 (b)对该硅-碳材料混合物通过高频感应进行热处理。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳材料是选自石墨、石墨纤维、碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管所组成的组中的至少ー种。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳材料的直径为O.4nm到16 μ m，长度为IOnm到IOcm010.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述硅纳米颗粒通过球磨制备。11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述硅-碳材料混合物通过球磨混合。12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高频在IOOHz到400kHz的范围内。13.ー种用于将碳材料包封到铝中的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 (a)通过混合娃纳米颗粒和碳材料,制备娃-碳材料混合物； (b)对该娃-碳材料混合物通过高频感应进行热处理以形成Si-C共价键；以及 (C)混合形成有该Si-C共价键...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永熙，苏康杓，金恩先，朴英佑，
申请(专利权)人：成均馆大学校产学协力团，株式会社大有新素材，
类型：发明
国别省市：