无压渗透制备纳米碳管增强铝基复合材料的方法

摘要

本发明涉及无压渗透制备纳米碳管增强铝基复合材料的方法，该方法将一定配比纳米碳管、镁粉和铝粉的粉末用机械方式混合或在不锈钢罐中氩气保护下球磨共混。然后装入不锈钢坩埚中或把球磨好的粉体模压成预制件放入到不锈钢坩埚中。将纯铝或铝合金置于增强粉体或预制件上方，然后将它们一同置入管式炉中在氮气气氛下加热至750℃－1000℃温度，保温一定时间，冷却后取出即可。本发明克服了纳米碳管与熔融的铝不相浸润的缺点，实现了纳米碳管与铝的充分渗透，使得纳米碳管在铝基体中分布均匀，纳米碳管体积含量可控，有利于实现工业化生产。本发明还具有工艺简单、对设备的要求低、得到的材料致密度高、可以近终成形等优点。

说明书

                          技术领域

本发明涉及采用无压渗透制备纳米碳管增强铝基复合材料的方法。

                          背景技术

Al基复合材料具有密度小、耐腐蚀和加工性能好等优点，随着航空、航天和汽车制造等现代工业的发展，对这类材料的比强度、比刚度、耐磨性、耐热性和抗疲劳等性能提出了更高的要求。纳米相增强Al基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，表现出优异的理化和力学性能。纳米碳管是一种新型的自组装单分子材料，理论估算其杨氏模量高达5TPa，强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6，是比强度和比刚度非常高的材料。纳米碳管的韧性和结构稳定性很好。纳米碳管具有极小的尺度以及优异的力学性能，是理想的一维纳米增强增韧材料。纳米碳管增强铝基复合材料制备中的突出难点是纳米碳管与金属之间润湿性差，故其制备难度较大。目前通常采用的方法主要有：热压法、真空吸铸法、粉末冶金烧结法、半固态铸造法以及利用涂敷或表面沉积改善润湿性的方法，但各有其局限性。如热压法和真空吸铸法，需要特殊的高压和真空获得设备；半固态法，增强相比例受到限制，粒子均匀性也难以控制；粉末冶金法很难制备出大构件。长期以来，国内外都在致力于寻找出一种实用、简单和效果良好的工艺。

                         发明内容

本发明的目的是提供一种采用无压渗透制备纳米碳管增强铝基复合材料的方法。

本发明的方法，包括以下步骤：

1)将纳米碳管、镁粉、铝粉的粉末采用机械方式混合或在不锈钢罐中氩气保护下球磨共混，其中纳米碳管的体积含量为5％-20％，镁粉∶铝粉的体积比为1-5∶5-20；

2)将混合的粉体直接装入不锈钢坩埚中或模压成预制件放入到不锈钢坩埚中；

3)将纯铝或铝合金置于增强粉体或预制件的上方，然后将它们一同置入管式炉中，在氮气气氛下加热至750℃-1000℃温度，根据预制件体积的大小来保温1-8小时，冷却取出即得本发明的纳米碳管增强铝基复合材料。

上述的纳米碳管可以是多壁纳米碳管或单壁纳米碳管。

本发明采用无压渗透的方法，即熔体在无外力作用下，借助浸润导致的毛细管压力自发渗入颗粒多孔预制件，形成复合材料。克服了纳米碳管与熔融的铝不相浸润的缺点，实现了纳米碳管与铝的充分渗透，使得纳米碳管在铝基体中分布均匀，纳米碳管体积含量可控，有利于实现工业化生产。本发明还具有工艺简单、对设备的要求低、得到的材料致密度高、可以近终成形等优点。

                        附图说明

图1为本发明在制备装置中的布置图；

图2是体积含量为10％纳米碳管增强铝基复合材料断口的场发射扫描(FEG-SEM)照片。

                     具体实施方式

实施例1

将体积含量CNTs＝10％，Mg＝20％，Al＝70％的粉末在不锈钢罐中氩气保护下球磨共混，把球磨好的粉体模压成预制件放入到不锈钢坩埚中，将铝合金置于增强粉体上方，再将它们一同置入管式炉中在氮气气氛下加热至800℃，并保温五小时待炉冷后取出，即制得体积含量为10％纳米碳管增强铝基复合材料。图2所示为渗透后的纳米碳管增强铝基复合材料断口的场发射扫描(FEG-SEM)照片。

实施例2

将体积含量CNTs＝5％，Mg＝21.1％，Al＝73.9％的粉末在不锈钢罐中氩气保护下球磨共混，把球磨好的粉体模压成预制件放入到不锈钢坩埚中，将铝合金置于增强粉体上方，然后将它们一同置入管式炉中在氮气气氛下加热至800℃，并保温五小时待炉冷后取出，即制得体积含量为5％纳米碳管增强铝基复合材料。

实施例3

将体积含量CNTs＝20％，Mg＝17.8％，Al＝62.2％的粉末在不锈钢罐中氩气保护下球磨共混，把球磨好的粉体模压成预制件放入到不锈钢坩埚中。将铝合金置于增强粉体上方，再将它们一同置入管式炉中在氮气气氛下加热至800℃，并保温五小时待炉冷后取出，即制得体积含量为20％纳米碳管增强铝基复合材料。