专利名称：一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明是一种复合材料的制备方法，特别是一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。
背景技术：
石墨烯(Graphene)是材料科学和凝固态物理学界的一颗新星。自从2004年,英国曼彻斯曼大学的Geim和Novoselov等人，采用微机械剥离的方法将石墨薄片从热膨胀石墨上剥离下来观察到单层石墨烯，并对其电学性能进行研究，石墨烯便以其独特的单原子层厚的二维晶体结构，优异的电学、光学、热学以及机械性能吸引了众多学者的目光。石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，只有一个原子层厚(约O. 34nm)，但是它也是目前已知材料中强度最高的，达到125GPa，是钢的100多倍。
人们对铝基复合材料的研究由来已久，到现在已经走过了三代的发展历程，铝合金的增强体既有颗粒也有纤维。碳化硅纤维增强6061A1和7075A1合金的疲劳强度比基体增加50%以上。晶须(短纤维)及连续纤维也是目前铝基复合材料的几种主要增强相。在铝合金基体中加入适当的纤维，颗粒等增强体可以提高材料的耐磨性，降低热膨胀系数等。从石墨烯优异的力学性能和极小的尺寸来看，是一种很好的铝基复合材料增强相。本发明采用纳米碳材料石墨烯(Graphene),来制备招基复合材料。铝基复合材料的制备工艺相当多，根据复合时的状态可分为固相工艺、液相工艺和液固双相工艺。目前，铝基复合材料具体的制备方法主要有以下几种(I)搅拌铸造法搅拌铸造法即将铝或铝合金放入熔炼炉中熔化，在一定的温度范围，一定的搅拌速度下向铝液中加入增强相，制得复合材料。搅拌铸造法工艺简单、操作方便，可以生产大体积的复合材料，但加入的增强相的用量有所限制，且易造成增强颗粒分布不均匀。(2)原位合成法原位合成法指增强材料在复合材料制造过程中，在基体中自己生成和生长。此种方法对合金的成分设计和体系内的一些化学反应要求很高。由于石墨烯化学性质稳定，很难与其他物质反应，所以此种方法很难实现。(3)多层喷射沉积法多层喷射沉积法是将金属液体被注入到坩埚中，通过导液管流入喷枪，被高压气体雾化成液粒喷射液，根据沉积坯形状和冷速的要求，按一定的规律进行匀速或变速运动，液粒扫描沉积在基体上。喷射沉积态坯料的密度一般为理论密度的85% 90%，坯料中存在孔隙较多。(4)挤压铸造法挤压铸造是将增强体制成预成型体，放入模型中预热，再浇入金属熔体并将模具压下并加压，迅速冷却得到所需的复合材料。但是受到大体积产品的形状和尺寸的影响，对大体积零件的适应性不高。
(5)粉末冶金法粉末冶金法是最早开发用于制备金属基复合材料的工艺，制备的金属基复合材料综合性能优良。一般粉末冶金包括粉末制备、粉末成形和粉末烧结过程。由于绝大多数增强相的润湿性很差，且在液体里很容易发生团聚，增强相的分布极不均匀，不能发挥其应有的增强效果。当采用液相工艺和固液双相工艺时，增强相和基体之间的结合性很差，不能相容，并且增强相在基体内部的分布很不均匀。本发明所用的增强相为石墨烯，比表面积很大，在液体中极容易发生团聚，且化学性质稳定，难与其他物质反应，故不可能采用液相工艺或固液相工艺。因此采用包覆粉末加工成形，来制得铝基复合材料。本发明所用的方法类似于粉末冶金法，但比传统的粉末冶金法简单易操作，减少了模具加工这一环节，从而节约成本。传统的粉末冶金法对模具的要求很高，且对压力需要精确控制以免损坏模具。本发明采用铝材代替模具的方法，包覆粉末进行成形，采用锻压一轧制的方法制备加工纳米碳材料增强铝基复合材料，以纯铝和石墨烯为例，所得成品的抗拉强度比基体提高50%、硬度比基体提高30%。
发明内容
本发明的目的是提供一种类似于粉末冶金的方法来制备铝基复合材料，采用铝材代替模具，包覆粉末加工成形，该方法解决了粉末冶金过程中对模具的精确要求问题。通过优化加热温度、加热时间、增强相的含量等工艺参数，建立技术方案，本发明的目的是通过下述工艺步骤实现的第一步，将纯铝或铝合金材料作退火处理，并对其表面进行碱液清洗和清水清洗，清洗后凉干或烘干；第二步，将纯铝或铝合金粉末与纳米碳材料按一定的比例进行充分混合、搅拌均匀；第三步，用第一步处理过的纯铝或铝合金材料包覆混合粉末，压实并密封，再用压力机压制成预制块；第四步，将第三步所得预制块轧制成最终成品。上述碳纳米材料可以是石墨烯、氧化石墨烯、镀铜石墨烯、镀镍石墨烯或镀钨石墨烯等。上述的纳米碳材料也可采用碳纳米管(CNTs)或其金属镀层产物。所用的铝粉可以是纯铝粉或是铝合金粉末，颗粒大小为100-300目。所用的包覆铝材可以是管材、板材或是其他铝及铝合金之类的型材。所用碳纳米材料的含量用质量分数表示或用体积分数表示，质量分数为O. 1%-8% (占所用铝粉的质量百分比)，体积分数为O. 1%-15% (占所用铝粉的体积百分比)。在用铝材包覆粉末进行压制成预制块的过程中，若所用的铝材为铝管，则铝管有竖直放和水平放两种方式。竖直放时，铝管两段用铝液浇注密封；水平放时，铝管两段用压力机压紧密封。在用压力机压预制块时，有冷压和热压两种方式，热压温度为200-50(TC ；·轧制也有冷轧和热轧两种方式，热轧温度为200-600°C，热轧前需在氩气的保护环境下进行
O.5-4h 烧结。对于用压力机压制成预制块之后的成形方法或过程，可以根据实际成品需要而定，在这里提到的是轧制，当然也可以是挤压、拉拔、复压等，或者经本步骤的成形之后再经相关成形而得到最终成品。如锻压一轧制、锻压一复压一轧制、锻压一挤压等均可。本发明的有益效果(I)和传统粉末冶金相比较，用铝材代替了模具，省去了为加工模具所需要的大量费用，且操作简便，容易实现工业化生产。(2)实现了新型纳米碳材料与铝的很好的结合，由于多次大的变形，可以使复合材料达到很高的致密度，提高了基体的力学性能，可以制备出高性能的新型铝基复合材料。
附图I为本发明的工艺流程示意图。
具体实施例方式参照图1，一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，该方法是通过下述步骤实现的I、将纯铝或铝合金材料作退火处理，并对其表面进行碱液清洗和清水清洗，清洗后凉干或烘干；2、将纯铝或铝合金粉末与纳米碳材料按一定的比例，其中纳米碳材料质量分数为
O.1%_8%或体积分数为O. 1%_15%，进行充分混合、搅拌均匀；3、用步骤I处理过的纯铝或铝合金材料包覆混合粉末，压实并密封，再用压力机压制成预制块；4、将步骤3所得预制块轧制成最终成品。实施例一称取IOOg纯铝粉(颗粒度为200目)和Ig石墨烯，用球磨机充分混合均匀后装入已经洗净的铝管内，将铝管内的混合粉末压实并用压力机将铝管两段压紧密封。将试样加热到450°C，用压力机将粉末试样压制成具有一定密度的预制块。将所得预制块在氩气的保护环境下烧结Ih后进行热轧，烧结温度为550°C。所得实验样品在室温下的抗拉强度达到142MPa,维氏硬度约为41kg/mm2。实施例二称取IOOg纯铝粉(颗粒度为200目)和5g镀铜石墨烯，用球磨机充分混合均匀后装入已经洗净的铝管内，将铝管内的混合粉末压实并用压力机将铝管两段压紧密封。将试样加热到400°C，用压力机将粉末试样压制成具有一定密度的预制块。将所得预制在块氩气的保护环境下烧结I. 5h后进行热轧，烧结温度为500°C。所得实验样样品在室温下的的抗拉强度达到160MPa，维氏硬度约为50kg/mm2。实施例三称取IOOg纯铝粉(颗粒度为200目)和3g镀铜石墨烯，用球磨机充分混合均匀后装入已经洗净的铝管内，将铝管内的混合粉末压实并用压力机将铝管两段压紧密封。再用压力机进行冷压成形，冷压变形的压下量要大于热压变形。冷压后将所得预制块在氩气的保护环境下烧结2h后进行热轧，烧结温度为550°C。所得实验样样品在室温下的抗拉强度达到153MPa，维氏硬度约为42kg/mm2。
以上所述，仅为本发明所举的石墨烯/Al复合材料和石墨烯-Cu/Al复合材料的具 体实施例子，但本发明的保护范围并不局限于此，例中所用的材料和实验参数很容易被替换，但都涵盖在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，即铝材包覆粉末加工成形的方法，该方法是通过下述步骤实现的 第一步，将纯铝或铝合金材料作退火处理，并对其表面进行碱液清洗和清水清洗，清洗后凉干或烘干； 第二步，将纯铝或铝合金粉末与纳米碳材料按一定的比例，将其进行充分混合、搅拌均匀； 第三步，用第一步处理过的纯铝或铝合金材料包覆混合粉末，压实并密封，再用压力机压制成预制块； 第四步，将第三步所得预制块轧制成最终成品。
2.根据权利要求I所述的一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的碳纳米材料采用石墨烯、氧化石墨烯、镀铜石墨烯、镀镍石墨烯或镀钨石墨烯。
3.根据权利要求I所述的一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的碳纳米材料采用碳纳米管或其金属镀层产物。
4.根据权利要求I所述的一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所用的铝粉是纯铝粉或是铝合金粉末，颗粒大小为100-300目，所用的包覆铝材采用管材、板材或铝及铝合金型材。
5.根据权利要求I或权利要求2所述的一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所用碳纳米材料的含量占所用铝粉质量的百分比为O. 1%-8%或碳纳米材料的含量占所用铝粉体积的百分比为O. 1%-15%。
6.根据权利要求I所述的一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于在用铝材包覆粉末进行压制成预制坯的过程中，若所用的铝材为铝管，则铝管有竖直放和水平放两种方式，竖直放时，铝管两段用铝液浇注密封；水平放时，铝管两段用压力机压紧密封。
7.根据权利要求I所述的一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的压制成预制块，有冷压和热压两种方式，热压温度为200-500°C;轧制也有冷轧和热轧两种方式，热轧温度为200-600°C，热轧前的烧结时间为O. 5-4h且在氩气的保护下进行烧结。
8.根据权利要求I或权利要求7所述的一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于对于用压力机压制成预制块之后的成形方法或过程，根据实际成品需要而定，采用轧制、挤压、拉拔、复压，或者经本步骤的成形之后再经相关成形而得到最终成品，如锻压一轧制、锻压一复压一轧制、锻压一挤压均可。
全文摘要
一种纳米碳材料增强铝基复合材料的制备方法，该方法类似于粉末冶金的方法，即铝材包覆粉末加工成形法，主要解决粉末冶金过程中对模具要求精确的问题。该方法通过下述步骤实现1、将纯铝或铝合金材料作退火处理，并对其表面进行碱液清洗和清水清洗，清洗后凉干或烘干；2、将纯铝或铝合金粉末与纳米碳材料按一定的比例，即纳米碳材料质量分数为0.1%-8%进行充分混合、搅拌均匀；3、用步骤1处理过的纯铝或铝合金材料包覆混合粉末，压实并密封，再用压力机压制成预制块；4、将步骤3所得预制块轧制成最终成品。本发明成本低、流程短、操作简便，容易实现工业化。
文档编号C22C1/10GK102864324SQ201210327450
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者管仁国, 左良, 胡芳友, 冯振仙, 李喜坤 申请人:东北大学