[发明专利]一种多层结构的多孔金属/纳米碳相复合材料的制备方法

摘要

本发明公开一种多层结构的多孔金属/纳米碳相复合材料的制备方法。以厚度适中的层状高通孔率的多孔金属为骨架，在上面负载一层厚度均匀的纳米碳相薄膜，在多孔金属空隙中填充适量金属粉后组装，经累积叠轧或高压扭转后多孔金属的空隙完全消失，金属粉，变形后的多孔金属的骨架和碳相形成致密的多层纳米结构，实现了在固相制备过程中高体积比例纳米碳相在金属基体中的均匀分散。本发明工艺简单、操作方便，对纳米碳相的损坏降至最低。能将不同碳相物质与不同多孔金属和金属粉复合为多层纳米晶、超细晶复合材料。产品具有塑性韧性好、抗疲劳、拉伸强度高、导电性优异、无毒性等特点。

主权项

1.一种多层结构的多孔金属/纳米碳相复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）纳米碳预处理：将平均直径为30~80 nm的纳米碳加热至180℃，保温5小时除去部分杂质和水分；（2）制备纳米碳相分散液：在1 ~1.5 g步骤（1）预处理后的纳米碳中加入300~450 mL质量百分比浓度为6 %的双氧水溶液或者0.06~0.09g表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和0.2~0.3g 分析纯Tween‑80的混合物中，浸泡5 小时；浸泡后的纳米碳混合液经分散乳化机分散30 分钟，转数为3750~4000转/分，冷却至室温，静止放置20 小时后，纳米碳混合液经超声清洗器处理30分钟，频率45~55 kHZ，冷却至室温，静止放置20 小时后，将纳米碳混合液经机械搅拌机1000~1500转/分处理1小时，冷却至室温，静止放置20 小时后得到纳米碳相分散液，纳米碳在纳米碳相分散液中含量为0.5~5 mg/mL；（3）多孔金属表面处理：以孔径5~120 PPI、通孔率为70%~98%的三维连通网孔状结构、厚度1~15mm的多孔金属板材为原料，裁剪成规格相同的板材，然后浸泡在质量百分比浓度为0.1~10％的酸性物质中保持30 分钟，取出后在真空度50 ~200 Pa、氮气或氩气中，温度50~150 ℃，干燥30~300分钟；（4）负载分散液薄膜并干燥：将步骤（3）干燥后的多孔金属板材置于步骤（2）获得的纳米碳相分散液喷淋或浸泡0.5~4 小时，保持分散液温度20~50℃，晾干后又进行喷淋或浸泡，重复3次，获得厚度10~100 μm均匀致密的纳米碳相分散液负载层，取出具有纳米碳相分散液负载层的多孔金属于75~150 ℃真空干燥1~12 小时后排除分散液水分，得纳米碳相/多孔金属复合体；（5）填充金属粉：在步骤（4）获得的纳米碳相/多孔金属复合体的下面垫放与多孔金属同材质的厚度0.1~0.3 mm的金属箔，即多孔铝板下面垫铝箔，多孔镍板下面垫镍箔，多孔铜板下面垫铜箔，目的是防止漏粉；然后在连通孔隙中填入平均粒径d50=0.3~30 μm的金属细粉，金属细粉与多孔金属的材质相同或不同；（6）组装和预热：将步骤（5）处理后的纳米碳相/多孔金属复合体的两块或三块，将表面压合在一起后，将板材四周用铆接固定，置于氩气保护下的加热炉中，加热至400℃，保温1小时，上述纳米碳相/多孔金属复合体的组合方式为：双层同质、双层异质或三层异质；（7）累积叠轧与裁剪：取出步骤（6）预热后的板材用轧机进行一个道次的轧制变形，压下量50%，轧制压力100 MPa，然后裁剪成形状相同的2份后按照顺序叠放整齐将板材四周用铆接固定，置于氩气保护下的加热炉中，加热至400~500 ℃取出，进行第2 次的累积叠轧操作；（8）重复步骤（6）和（7），共叠轧2~10次，制得金属复合板材；（9）冷轧变形或高压扭转：将步骤（8）累积叠轧后的金属复合板材继续进行冷轧变形或高压扭转；冷轧变形步骤为：将步骤（8）累积叠轧后的金属复合板材继续进行冷轧变形，道次变形量为15~30%，轧制压力200~400 MPa，然后经轧机轧制成型，制得合金板材；高压扭转步骤为：将步骤（8）累积叠轧后的金属复合板材剪切成小块样品，放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，或放入下压砧中的凹槽内、上压砧的凸台插入下压砧的凹槽内进行高压扭转变形，压力0.5~3 GPa，扭转3~10周，制得合金板材；（10）热处理：将步骤（9）冷轧变形后或高压扭转的合金板材加热到200~350℃，保温60~300分钟，在空气中冷却至室温，得多层结构的多孔金属/纳米碳相复合材料；所述纳米碳为纳米碳管、石墨烯和纳米石墨粉中的一种或多种；所述多孔金属为多孔铝、多孔镍、多孔铁和多孔铜中的两种或多种；所述酸性物质为亚硫酸、磷酸和硝酸中的一种；所述步骤（5）中选用不同PPI的多孔金属板，根据空隙的大小，在多孔金属的连通孔隙中填入平均粒径d50=0.3~30 μm的金属细粉；5~40 PPI的多孔金属板填充10~30 μm的金属细粉；40~120PPI的多孔金属板填充0.3~~10 μm的金属细粉；金属细粉与多孔金属的材质相同或不同。