[发明专利]一种高阻尼碳纳米管/铝合金复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能铝合金复合材料，具体地说，涉及的是一种高阻尼碳纳米管/铝合金复合材料的粉末冶金制备方法。

背景技术

随着高速列车技术的飞速发展，其升级换代对材料的性能要求越来越高，轻质、高拉伸强度、高模量、高塑性、高阻尼材料的应用，不但可有效减轻列车重量，提高列车速度，还能保障列车的安全与舒适性。然而，高速列车现役的铝合金材料(6N01、7N01等)拉伸强度和模量已不能满足高速列车进一步减轻车身重量、提高速度的使用要求，新型高拉伸强度、高模量、高塑性、高阻尼高速列车用金属材料的开发应用，成为制约新一代列车发展的瓶颈。

与传统材料相比，碳纳米管具有超高的拉伸强度和模量，并具有低的密度，被认为是制备轻质、高强、高模量新型铝基复合材料最合适的增强体。碳纳米管增强铝合金复合材料不但可获得高模量、高拉伸强度，还可同时提高铝合金基体的阻尼减震性能，因而是适用于高速列车的新型材料。但碳纳米管与传统铝合金(5XXX、6XXX等)复合后界面结合控制较困难，一方面，当界面结合较差时，无法发挥碳纳米管对铝合金基体的增强作用，与铝合金基体相比，复合材料的力学性能并无明显提高；另一方面，当合金基体与碳纳米管发生化学反应形成连续碳化物层(主要是Al₄C₃相)时，可以形成强界面结合，但由于碳化物的高脆性，复合材料负载后极易导致碳化物与铝基体界面剥离、脱粘，不能最大化发挥碳纳米管的高拉伸强度、高阻尼增强特性，因而制备的碳纳米管/铝合金复合材料拉伸强度和模量较高，而塑性和阻尼性能较差，材料综合性能不理想。因此，如何在充分控制界面反应的前提下，改善复合界面结合，是碳纳米管/铝合金复合材料获得优异综合性能的关键。

对现有技术的文献检索发现，文献“Synthesis of copper coated carbon nanotubes for aluminium matrix composites”(铜包覆碳纳米管制备铝基复合材料)(International Symposium on Advanced Materials(ISAM 2013).IOP Conf.Series:Materials Science and Engineering 60(2014)012040)采用分子水平混合(molecular-level mixing process)制备铜包覆碳纳米管的铝基复合材料，以改善界面结合，并抑制界面反应；然而，由于铜在致密化烧结或高温热处理过程中，易于扩散至铝基体内部，改变了铝合金中的元素含量，严重影响合金的拉伸强度和耐蚀性。文献“Fabrication and characterization of Al-matrix composites reinforced with amino-functionalized carbon nanotubes”(氨基功能化碳纳米管增强铝基复合材料的制备与表征)(Composites Science and Technology 72(2011)103–111)采用氨基功能化碳纳米管制备了碳纳米管/铝复合材料，以期促进复合界面结合，虽然碳纳米管/铝复合界面结合在一定程度上得到了强化，但材料中仍然生成了较多的碳化物(Al4C3)，并不能有效抑制界面反应，难以获得理想的综合性能。文献“Microstructural and mechanical behavior of multi-walled carbon nanotubes reinforced Al–Mg–Si alloy composites in aging treatment”(多壁碳纳米管增强Al–Mg–Si合金复合材料时效态的微观组织与力学行为)(Carbon 72(2014)15–21)在采用传统粉末冶金方法制备的CNT/6063铝合金复合材料时发现，合金元素会在碳纳米管附近偏聚并发生反应生成Al₂MgC₂、MgO、MgAl₂O₄等大量脆性陶瓷化合物，从而导致材料力学性能不理想，其制备的T6热处理态0.56vol.％CNT/6063和1.22vol.％CNT/6063复合材料拉伸拉伸强度分别为210MPa和180MPa，甚至低于相同条件制备的6063铝合金基体的性能(230MPa)。由此可见，界面反应对材料性能有着致命的影响作用。