[发明专利]微纳米叠层金属基复合材料的原位制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种金属基复合材料，具体是一种微纳米叠层金属基复合材料的原位制备方法。

背景技术

金属基复合材料凭借其结构轻量化效益和优异的力学、热学和电学性能，逐渐在汽车、电子、航天、航空和体育休闲用品等诸多领域实现商业化的应用，确立了作为新材料和新技术的地位。在传统的金属基复合材料中，陶瓷增强体在金属基体中均匀分布，随着增强体体积分数的提高，金属基复合材料的塑性和韧性均迅速下降，难以满足工程使用需求。因此，近年来逐渐强调在中间或介观尺度上人为调控增强体分布，以便进一步发掘金属基复合材料的性能潜力、实现性能指标的最优化配置。受自然界竹、木、贝壳、骨骼等生物复合材料以叠层结构达到强、韧最佳配合的启发，韧脆交替的叠层金属基复合材料研究越来越引起关注，主要目的是通过韧性层来补偿单层材料内在性能的不足，以满足各种各样的特殊应用需求，例如耐高温材料、硬度材料、热障涂层材料等。研究结果表明：叠层材料的强度是均质材料的2到4倍，断裂韧性能达到均质材料的10倍以上。叠层材料的强度随着双层厚度(调制波长) 的减少而增加，并且在降低到纳米尺度时达到一个峰值。因此，制备纳米层状仿生金属基复合材料成为近年来的开发热点，但现有的累积叠轧、热挤压等制备技术通常只能得到微米尺度的叠层。

经过对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号CN101817084A，记载了一种“微纳米叠层金属基复合材料的制备方法”，该技术采用片状金属粉末料浆与纳米增强体料浆共混的方法，使片状金属粉末表面吸附纳米增强体并形成复合粉末料浆，通过施加外力场的定向作用得到叠层复合粉末，最后经致密化处理得到密实的叠层金属基复合材料。这项技术采用厚度为微米或亚微米的片状金属粉末为原材料，成功地制备出纳米尺度的叠层金属基复合材料，但是仍然存在较大的不足：对于碳纳米管这样的大长径比和高比表面积的纳米增强体，非常倾向于在料浆或片状金属粉末表面发生团聚，为改善其分散性通常采用强酸处理进行表面改性，因此导致结构破坏；而分散不均匀和结构遭破坏都不利于发挥碳纳米管应有的强化作用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种微纳米叠层金属基复合材料的原位制备方法，采用微纳米片状金属粉末为基体，通过碳源物质催化热解在其表面原位生成分散均匀碳纳米管，然后借助片状金属粉末所具有的“定向堆砌”作用，形成微纳米叠层结构的碳纳米管/金属复合材料。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先将微纳米片状金属粉末浸渍于前驱物溶液以包覆一层前驱物薄膜，然后基于催化热解反应在金属粉末表面原位生成碳纳米管；最后对所得的碳纳米管、微纳米片状金属复合粉末进行致密化处理，即得到密实的微纳米叠层金属基复合材料。

所述的微纳米片状金属粉末的径厚比大于10，厚度为200nm-5μm，片径为5-500μm。

所述的微纳米片状金属粉末为Al、Cu、Mg、Ti或Fe或其合金的粉末，该微纳米片状金属粉末采用熔体甩带、铸轧、球磨制备得到。

所述的前驱物溶液的组分为碳源物质前驱物、催化剂前驱物、还原剂及溶剂，其中：溶剂为甲醇、乙醇、丙酮或水；碳源物质前驱物为聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇或乙二醇或其组合；催化剂前驱物为Al、Mg、Cu、Fe、Co或Ni的硝酸盐、氯化盐、硫酸盐及茂金属化合物或金属羰基化合物或其组合，优选为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、氯化铁、氯化铜、硫酸镁、二茂铁或羰基镍；还原剂为葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、糊精、维生素C、草酸、丙二酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸或酒石酸盐类或其组合。

所述的前驱物溶液中碳源物质前驱物的浓度为0.05-0.5 g/ml，还原剂的浓度为0.05-2.0 mol/L，催化剂前驱物的浓度为0.05-0.5 mol/L，还原剂与催化剂前驱物的摩尔比为1：1-4：1。

所述的催化热解反应在惰性气体保护下进行，如N2或Ar等惰性气体保护。

所述的微纳米叠层金属基复合材料中，碳纳米管和微纳米片状金属粉末的体积比1：99-10：90。