[发明专利]一种制备Al/CNT复合材料的方法

说明书

本发明属于先进金属材料制备研究领域，提供一种制备Al/CNT复合材料的方法，该方法首先使用电流对多壁碳纳米管进行表面改性，再将改性后的多壁碳纳米管和纯铝粉制备成预合金块，并在喷射成形前将预合金块加入装有2195铝合金熔体的感应炉中，进行超声波分散或者机械搅拌分散后直接喷射成形得到Al/CNT复合材料的方法。本发明的有益效果是：本发明的方法利用在2195铝合金熔体中添加多壁碳纳米管进行分散，降低多壁碳纳米管分散过程中需要的能量，提升制备效率并降低杂质引入，同时利用喷射成形过程的快速冷却降低多壁碳纳米管在凝固后期的团聚，最终得到杂质含量少，多壁碳纳米管分布均匀，且元素少偏析甚至无偏析的2195铝合金坯体。

技术领域

本发明属于先进金属材料制备研究领域，特别提供了一种制备Al/CNT复合材料的方法。

背景技术

铝锂合金具有密度低、比刚度和比强度高、抗腐蚀性能强、低温和高温力学性能强等性能优势，是一类综合性能优异、具有巨大开发潜力的轻质合金。特别是在铝合金中每添加1％的金属锂，不仅可以使弹性模量可提高5％～6％，还可以使合金的密度降低3％。在航空航天工业“减重”这个永恒发展目标的驱动下，国内外对于铝锂合金研发进行了巨大的投入，使得铝锂合金的发展十分迅速。在众多铝锂合金中，第三代2195铝合金具有超高强度、良好的低温性能、优异的锻造性和可焊接等性能优势而成为替代航天器中其他高强铝合金结构件的核心材料之一。

近年来航天行业的发展对铝锂合金提出了新的要求，需要其在粒子辐照环境下的稳定性和可靠性提高、承载能力提高、耐热性能提高、结构精度及热稳定性提高。2195铝合金中的强化相以T₁(Al₂CuLi)相为主，并伴随着少量δ′，θ″和θ′相等。虽然通过合理的微合金化和热处理工艺设计，可以使纳米尺寸片状的T₁相均匀的分布在基体中，从而优化合金的力学性能。但是由于片状T₁相倾向于与Al基体的滑移面{111}面平行，故在较高温度服役过程中，位错在高温条件下容易通过攀移等机制绕过T₁相，使2195铝锂合金的高温性能大幅度下降。同时，2195铝合金抗粒子辐照能力较弱，难以满足在极端条件下的使用要求。

碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)以其超强的力学性能和优异的理化性能，成为极端条件下使用铝锂合金的理想增强相。多壁碳纳米管是由石墨片卷曲而成的中空无缝管状纳米结构，其管径一般为几到几十纳米，长度约为几到几百微米，具有管径小、长径比大等结构特点，使其具有许多优异的性能。理论计算和实验结果都表明CNTs具有极高的刚度、强度和极大的韧性，实验测得其平均杨氏模量约为1.8TPa，抗拉强度可达150GPa，约为高强钢的100倍。由于CNTs的中空结构，故在承受外载荷时可以通过体积弹性变化吸收能量，而不会呈现脆性行为、弹性变形和键断裂，故在完全分散的情况下仅需添加0.1vol％的多壁碳纳米管就能达到良好的强化效果。同时，不平行于{111}滑移面的多壁碳纳米管可以充当类似于林位错的微结构来强化基体，解决高温下与滑移面平行的T₁相强化效果降低的问题，有效的提升2195铝锂合金的高温强度。此外，CNTs可以通过碳原子重排等方式吸收来辐照离子的能量以降低辐照产生的空位的过饱和度，促进辐照产生的点缺陷的复合，并大幅度减轻/抑制辐照引起的材料肿胀及脆化效应。CNTs还能够充当纳米烟囱，使辐照缺陷进入多壁碳纳米管内部，从而逸散出辐照损伤区域，提升合金的抗粒子辐照性能。综上所述，多壁碳纳米管是应对极端条件下航天用铝合金的理想强化相。