[发明专利]使用纳米碳化硅涂层硬化碳材料界面的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用纳米碳化硅涂层(coating)硬化碳材料界面(interface)的方法。

背景技术

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强度的合金。而且，铝的化学性质稳定，因为其表面附着的一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(东丽工业公司(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-fusion stirring solidifying method)，其中半熔融的铝合金在连续搅拌下同时加入预定量的碳纳米管；以及熔融/加压浸渍法(melting/pressurizing impregnation method)，其中熔融的铝合金使用多孔预制体浸渍，并且与加压过的碳纳米管复合。

然而，当使用这些制备方法时，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时，同样存在一个问题，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，本发明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)表面涂覆上纳米碳化硅。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。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供一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。

本发明的另一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。

本发明进一步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，本发明提供一种形成Si-C共价键的方法，该方法包括以下步骤：(a)通过混合硅纳米颗粒和碳材料，制备硅-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。

在一方面，本发明提供一种硬化碳材料界面的方法，该方法包括以下步骤：(a)通过混合硅纳米颗粒和碳材料，制备硅-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。

在另一方面，本发明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)通过混合硅纳米颗粒和碳材料，制备硅-碳材料混合物；(b)对该硅-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。该方法可以进一步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。