[发明专利]一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术

因具有比强度和比刚度高、高温性能好、耐疲劳、耐磨、阻尼性能好、热膨胀系数低等优异的理化性能，铝基复合材料（AMCs）已成为最常用、最重要的金属基复合材料之一，在交通运输、航空航天、武器装备、电子封装与器件等领域应用广泛。例如美国DWA公司用25%SiCp/6061铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽、角材，使其密度下降了17%，模量提高了65 %。随着科学技术和现代工业的快速发展，上述领域对铝基复合材料的比强度、比刚度、耐疲劳性、导电导热性等综合性能提出了越来越高的要求。

碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）具有独特的结构和优异的力学与理化性能。CNTs的抗拉强度达到50～200GPa，约为钢的100 倍；密度为1.2～2.1g/cm³，仅约为钢的1/6～1/7；CNTs具有优良的导电和导热性能，热膨胀系数低，具有非常广泛的应用前景，也被公认为最理想的复合材料增强体。

CNTs增强铝基复合材料具有获得高强、高导、耐蚀、耐疲劳、低膨胀等优异性能的巨大潜力，在航空航天、交通运输、电力输送、机械制造等领域具有广泛的应用前景，成为近年的研究热点。为了获得高性能的CNTs增强铝基复合材料，科研工作者尝试了很多的制备方法，主要包括粉末冶金法（powder metallurgy route）、熔铸法（melt and cast processing）、热喷涂法（thermal spraying）和其它的创新方法(novel technique)。

George等人将球磨得到的前驱粉体采用冷压成型+氮气环境烧结+热挤压的粉末冶金方法，成功制备了2vol%MWCNT/Al复合材料，其抗拉强度达到138MPa。Li等用熔体搅拌 + 高压压铸的熔铸方法制备了 CNTs 增强 Al 基复合材料，0.05wt.% MWCNTs/Al复合材料的伸长率和抗拉强度比纯铝的分别提高了27%和8%。Bakshi等采用等离子喷涂方法制备了CNTs 增强 AlSi复合涂层，当 CNTs 的含量为 5wt.%时，复合涂层弹性模型和抗压屈服强度分别增加 17.5% 和27%。Liu等通过摩擦搅拌加工的方法制备了6.0wt.%CNTs/Al复合材料，其拉强度达到了190.2 MPa。这些研究为制备高性能CNTs增强铝基复合材料做出了积极贡献，使复合材料的力学性能比基体材料提高了很多。但是，上述方法都是尽量将CNTs分散到Al基体中，从而制备CNTs/Al复合材料，其中充满了大量的CNT/Al界面。完整CNTs与Al等金属基体之间的浸润性很差，受破坏的CNTs与Al之间易于生成Al₄C₃化合物，不浸润或化合物界面均严重影响复合材料的导电和导热性，导致其物理性能不理想。

为克服上述方法制备CNTs/Al复合材料存在的不足，本发明提供一种高强高导碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法。本发明利用CNTs/Al复合材料强度高、变形抗力大，而纯铝强度低、变形抗力小的特点，创造性地对CNTs/Al复合锭坯和纯铝锭坯进行复合热挤压，对CNTs/Al复合材料变形加工的同时使其外表面再包覆一层纯铝；利用心部CNTs/Al复合材料获得优异的力学性，利用表面纯铝层获得良好的导电和导热性能，最终获得结构功能一体化的高强高导CNTs/Al复合材料。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种高强高导碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，该方法设计新颖，可实现复合材料的结构和功能一体化；工艺简便，设备简单，易于实现规模化生产，具体包括以下步骤：

（1）复合前驱粉体的制备：采用高能球磨法将碳纳米管和纯铝粉混合均匀得到CNTs/Al的前驱复合粉体，前驱复合粉体中碳纳米管的质量百分比为0.5~5%，纯铝粉的质量百分比为95~99.5%；

（2）复合粉体的压制与烧结：将步骤（1）制备得到的CNTs/Al前驱复合粉体压制成圆柱坯料，然后，将圆柱坯料在真空或惰性气体（为氮气、氩气等常用保护气体）保护气氛下进行烧结，烧结温度为500~620℃，烧结2~8h得到CNTs/Al复合材料烧结坯；

（3）制备和CNTs/Al复合材料烧结坯直径相同的纯铝圆柱坯；