一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)碳纳米管在十二烷基苯磺酸铵水溶液中预分散；(2)预分散的碳纳米管抽滤干燥后在天然橡胶的汽油溶液中稳定化处理；(3)稳定化处理的碳纳米管与金属粉末采用粉末冶金成型。本发明专利技术的优点在于：(1)碳纳米管形貌尺寸不受限制，碳纳米管不需其它化学处理；(2)与单独用十二烷基苯磺酸铵处理相比，二次处理后的碳纳米管在天然橡胶中的溶解度较大，可达5mg/ml，(3)在粉末成型过程中，十二烷基苯磺酸铵和橡胶能够热分解，有效地解决了分散剂的去除问题；(4)与酸处理或球磨法相比，碳纳米管几乎无损伤，长径比变化小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料制备
，具体涉及。
技术介绍
碳纳米管具有超高的力学性能(抗拉强度> 30GPa，弹性模量> IGPa)，良好的热性能和电学性能，被认为是复合材料的完美增强体。然而，由于其长径比大，管束间范德华力强，很难进行分散，因此在金属基体中通常以团聚形式存在，难以充分发挥其增强作用。碳纳米管与大多数的金属材料都不浸润，限制了常规的液相法来制备碳纳米管增强金属基复合材料。而粉末冶金法则对碳纳米管与金属基体的浸润性不敏感，更适用于制备碳纳米管增强金属基复合材料。目前主要的分散方法之一是高能球磨法，利用金属粉末的反复变形、冷焊和破碎达到分散碳纳米管的目的。但是该方法不可避免会引入氧化物等 杂质，而且对碳纳米管造成损伤，不利于复合材料性能提高(Dominique Poirier, et al,Structural characterization of a mechanically milled carbon nanotube/aluminummixture, Composites Part A, 2009,40,1482-1489)。另一种方法是对碳纳米管进行预分散处理，主要是利用表面活性剂或溶剂等物质使碳纳米管在悬浊液状态下呈均匀的分布，随后与金属粉末进行混合得到复合材料粉末。已报道表面活性剂效果较好的是十二烷基苯磺酸钠和N, N-二甲基-N_(3-磺丙基)-1_十八烧铵内盐(Kondoh Katsuyoshi, et al.,Characteristics of powder metallurgy pure titanium matrix composite reinforcedwith multi-wall carbon nanotubes, 2009,69,1077-1081)。十二烧基苯横酸盐含有苯环，与碳纳米管亲和力强，其亲水一憎水作用及电荷排斥作用可以有效将碳纳米管团聚打开。但十二烷基苯磺酸盐难以去除，而且很容易在漂洗过程中从碳纳米管表面脱离，导致碳纳米管重新团聚。N，N- 二甲基-N-(3-磺丙基)-1_十八烷铵内盐属于两性离子表面活性剂，在水溶液中具有亲水-憎水特性，另外还具有独特的阴阳偶极子对相互作用，可以非常有效地分散碳纳米管，但是其价格十分昂贵，不适于大规模推广。利用溶剂分散碳纳米管方法中，主要利用天然橡胶来分散碳纳米管。研究者将碳纳米管、金属粉末、天然橡胶按照一定的比例混合，随后在炼胶机上开炼，利用炼胶时产生的大剪切力使碳纳米管团聚分散开来，得到分散良好的碳纳米管增强复合材料(Junichi Yuuki et al. ,Fabrication of carbonnanotube reinforced aluminum composite by powder extrusion process, MaterialsScience Forum，2007，534-536，889-892)。该技术的局限在于需要配备昂贵的炼胶设备和长时间的炼胶过程，而且仅能制备出板状的复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该方法可以实现碳纳米管在金属基体中的良好分散，制备的复合材料中碳纳米管无损伤，长径比较大，因而表现出优良的力学性能，在航空航天和汽车制造等要求轻质高强的领域有广阔的应用前景。本专利技术是通过以下技术方案来实现的，包括如下步骤(I)碳纳米管在十二烷基苯磺酸铵水溶液中预分散；(2)预分散的碳纳米管抽滤干燥后在天然橡胶的汽油溶液中稳定化处理；(3)稳定化处理的碳纳米管与金属粉末采用粉末冶金成型。碳纳米管在十二烷基苯磺酸铵水溶液中预分散的工艺过程为将碳纳米管加入到十二烷基苯磺酸铵水溶液中进行超声波分散；其中，十二烷基苯磺酸铵水溶液浓度5 20mg/ml，碳纳米管加入量为I 10mg/ml，超声波频率为25_50KHz，作用时间为2 12小时。 预分散的碳纳米管抽滤干燥后在天然橡胶的汽油溶液中稳定化处理的工艺过程为对十二烷基苯磺酸铵水溶液中预分散的碳纳米管进行抽滤，抽滤后的碳纳米管放入真空干燥箱中干燥，随后放入到天然橡胶的汽油溶液中进行超声波分散，即得到稳定化处理的碳纳米管悬浊液；其中，天然橡胶的汽油溶液中橡胶与汽油的体积比为I : 2 2 1，每毫升天然橡胶的汽油溶液中碳纳米管的含量大于O且小于等于5mg，超声波频率25-50KHZ，作用时间2 12小时。稳定化处理的碳纳米管与金属粉末的粉末冶金成型的工艺过程为I)向稳定化处理的碳纳米管悬浊液中加入金属粉末，然后用加热搅拌器加热搅拌到悬浊液呈现粘浆状，得到混合料；其中，碳纳米管占金属粉末的质量百分比大于O且小于等于2% ;加热温度为60 80°C，搅拌速度为200 800rpm ；2)将经I)处理后的混合料取出烘干后放入冷压模具中冷压后得到冷压坯锭，将冷压坯锭连同模具放入真空热压炉中，升温至450 550°C，保温I 4小时，以去除掉橡胶；3)步骤2)后继续升温至热压温度后并保温进行真空热压成型，即得到热压态碳纳米管增强金属基复合材料坯锭；其中，保温时间I 2小时，真空度KT1 10_3Pa，压力20 200MPa，热压温度为1^-501 Tm ;所述Ttl为金属基体固相线温度，所述Tm为金属基体液相线温度。所述碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管中的任意一种。所述金属粉末为招、招合金、镁或镁合金粉末，金属粉末粒度为I 100 μ m。本专利技术提出了一种改进的金属基复合材料用碳纳米管的分散方法，利用十二烷基苯磺酸铵水溶液的分散效果使碳纳米管达到初步的分散，抽滤干燥后利用橡胶在碳纳米管上的粘附能力，阻止碳纳米管积聚成团，进一步稳定碳纳米管的分散状态。本专利技术综合了表面活性剂和溶剂分散碳纳米管的经验，开发出一种金属基复合材料用碳纳米管的分散方法。其主要思想包括(I)利用十二烷基苯磺酸铵代替十二烷基苯磺酸钠作为初步分散碳纳米管的表面活性剂。十二烷基苯磺酸铵在高温下会发生分解，表面活性剂的去除不需要碳纳米管漂洗的步骤，解决了十二烷基苯磺酸钠在漂洗时脱离碳纳米管引发二次团聚的问题。虽然其水溶液PH值偏酸性，导致其分散能力比十二烷基苯磺酸钠略差，但通过适量增加其水溶液量可以改善。(2)橡胶虽然没有分散碳纳米管的能力，但它容易缠附在碳纳米管表面从而具有良好的碳纳米管稳定能力。利用其作为碳纳米管的稳定分散溶剂，可以使经过预分散的碳纳米管表面粘附橡胶，从而进一步阻止其再积聚成团，进一步改善分散效果，增加碳纳米管的分散含量，更容易与金属粉末进行混合。本专利技术的优点和有益效果如下(I)碳纳米管形貌尺寸不受限制，碳纳米管不需其它化学处理；(2)与单独用十二烷基苯磺酸钠处理相比，二次处理后的碳纳米管在天然橡胶中的溶解度较大，可高达5mg/ml ；(3)在粉末成型过程中，十二烷基苯磺酸铵和橡胶能够热分解，有效地解决了分散剂的去除问题；(4)与酸处理或球磨法相比，碳纳米管损伤小，长径比变化小。附图说明图I是碳纳米管在溶液中的悬浮情况；其中(a)为未经本专利技术方法处理的碳纳米管在汽油中悬浮情况；(b)为实施例I中碳纳米管的橡胶汽油溶液的悬浊液。图2是实施例I制备的碳纳米管增强复合材料的微观组织图。图3为对比例I的碳纳米管分布微观组织图。图4为实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)碳纳米管在十二烷基苯磺酸铵水溶液中预分散；(2)预分散的碳纳米管抽滤干燥后在天然橡胶的汽油溶液中稳定化处理；(3)稳定化处理的碳纳米管与金属粉末采用粉末冶金成型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖伯律，刘振宇，马宗义，王全兆，倪丁瑞，王东，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：