碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置及其制备方法与流程

本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置及其制备方法，属于材料工程技术领域。

背景技术：

碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种新型的管状碳结构一维纳米材料，其独特的中空结构使得碳纳米管拥有诸多优良的性能，密度小、强度高、长径比大、导电导热率高、热膨胀系数低、热稳定性好、耐强酸、强碱腐蚀性能优异，因此，被视为理想的高性能复合材料的增强体。CNTs增强金属基复合材料因兼有金属和CNTs的特点而具有独特的力学和物理性能，在航空航天器、汽车制造、电子仪器等工业领域有广阔的应用前景。

目前CNTs增强铝基复合材料主要制备方法有粉末冶金法、无压浸渗法、原位合成法和搅拌铸造法等。粉末冶金法是将CNTs与金属粉均匀搅拌混合，然后进行球磨、干燥、压实和烧结等，但该方法生产成本高，且球磨过程中易造成CNTs结构的破坏，结构被破坏的CNTs在高温烧结时易与金属基体发生反应生成有害相，如与铝基体生产Al4C3，降低了复合材料的性能。无压浸渗法是将不同比例混合均匀的粉体压制成预制件，然后在毛细管力作用下将熔融金属液渗入预制件，与其它复合工艺相比，无压渗透具有工艺简单、对设备的要求低、所制备的材料致密度高、可以近终成型等优点，但生产效率低，不利于批量生产。原位复合技术作为一种新的复合技术，主要是采用适当的工艺方法在金属基底上达到一种化学或者非化学的反应制备出增强相，在CNTs增强金属基复合材料制备上主要以化学气相沉积法为主，技术生产成本高，不利于生产大尺寸构件。搅拌铸造法是在熔融液态金属中加入CNTs，通过搅拌使得CNTs分散于熔体中，长时间搅拌使得熔体中混杂较多的氧化膜，在转注过程中停止搅拌时熔体中的CNTs易上浮，并且为了便于施加搅拌装置炉体容量往往较小，不适合大规模连续生产。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置及其制备方法，避免CNTs在熔体中大量上浮，并减少氧化膜等缺陷，同时能够适合于工业化连续生产。

本发明的技术解决方案是：一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，包括熔炼保温炉、搅拌装置、保温装置、结晶器以及流槽，所述熔炼保温炉设有熔体出口，所述保温装置内设有通道，所述结晶器安装于保温装置下方，所述熔体出口和所述流槽的入口相连通，所述流槽的出口和所述保温装置上通道的入口相连通，所述保温装置上通道的出口和结晶器的入口相连通，所述保温装置上设有通孔，该通孔与结晶器入口相连通，所述搅拌装置插入该通孔中。

进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：所述保温装置的通道入口位于保温装置前侧，所述保温装置的通道出口位于保温装置下侧。

进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：所述搅拌装置包括搅拌叶和旋转轴，所述搅拌叶安装于旋转轴下方，所述旋转轴呈中空状且上下两端均设有开口。

进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：所述保温装置包括上保温板镶块，上保温板和下保温板，所述下保温板安装于结晶器上方，所述保温装置的通道出口设置于下保温板上，所述上保温板位于下保温板上方，所述上保温板与下保温板之间具有空隙形成所述保温装置的通道，所述上保温板上设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述上保温板的U型槽的槽口朝向流槽的出口，所述搅拌装置贯穿上保温板的U型槽和保温装置的通道出口，所述上保温板镶块镶嵌于上保温板的U型槽内并与上保温板的U型槽相配合，从而减少搅拌叶上方外漏液面，降低氧化膜卷入风险。

更进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：所述上保温板和下保温板之间设有一中保温板，该中保温板上设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述中保温板上的U型槽的槽口朝向所述流槽的出口。

更进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：另设有压板，所述压板覆盖于上保温板和上保温板镶块的上方，且所述压板上也设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述压板上的U型槽的槽口朝向流槽的出口。

本发明还公开了一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将铝合金在熔炼保温炉内熔化精炼并保温，熔炼保温熔体内温度为730-760℃，获得合金熔体；

（2）待所有工装准备就绪后从熔体出口放流铝熔体，使得合金熔体经由保温装置通道流入结晶器内；

（3）连续添加定量包覆铜的CNTs粉末和定量保护气体到搅拌装置旋转轴的空腔中，形成气粉混合体，同时开启搅拌装置搅拌，使得气粉混合体经搅拌装置底部开口进入合金熔体中，经搅拌装置高速剪切，迅速分散到保温装置内的合金熔体中，形成CNTs分散熔体，并通过结晶器对CNTs分散熔体进行半连续铸造；

（4）随着结晶器的引锭头下移，CNTs分散熔体不断在结晶器冷却作用下，形成复合材料铸锭，移出结晶器。

再进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其中：其特征在于：所述步骤（3）中CNTs分散熔体在结晶器内结晶形成液穴，将熔体分成液相区和固液两相区，所述气粉混合体添加于固液两相区内。

再进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其中：所述步骤（3）中CNTs分散熔体的温度为液相线温度±8~12℃。

再进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其中：所述固液两相区与复合材料铸锭的分界线为凝固前沿线，所述搅拌装置的搅拌叶设置于合金熔体的凝固前沿线以上0~100mm，使得气粉混合体添加于凝固前沿线上沿，所述搅拌装置转速为500~2000转/分。

本发明突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

（1）增强体CNTs粉体添加位置在结晶器内的铝熔体凝固线前沿附近，凝固线前沿附近铝熔体温度低、甚至处于半固态状态，粘度大能增大CNTs粉体上浮阻力，并且熔体很快就结晶凝固，CNTs粉体在铝熔体中停留时间短，CNTs粉体收得率高。

（2）增强体CNTs粉体的添加方式为气粉混合，并且出口设置在搅拌装置底部。定量的粉体和气体在搅拌装置内部通道内混合，有利于CNTs粉体自身的分散均匀，同时增强体CNTs粉体出口在搅拌装置底部，紧邻高速旋转的搅拌叶，搅拌叶的高速剪切能够将CNTs粉体在熔体中很快分散。

（3）半连续铸造用结晶器设置了独特设计的保温装置，铸造过程中通过控制流槽内熔体液面高度高于保温装置入口，铸造过程中搅拌叶上方熔体与外界接触面积非常小，能够大大减轻搅拌过程中卷入氧化膜等缺陷。

附图说明

图1是碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置示意图；

图2是结晶器组件的分体示意图。。

图中，各附图标记的含义为：1—流槽，2—搅拌叶，3—旋转轴，4—压板，5—上保温板镶块，6—上保温板，7—中保温板，8—下保温板，9—结晶器本体，10—结晶器下板，11—结晶器内衬，12—引锭头，13—铝熔体，14—液位线，15—气粉混合体，16—固液两相区，17—凝固前沿线，18—复合材料锭，19—熔炼保温炉。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

本发明碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，如图1所示，包括熔炼保温炉19、搅拌装置、保温装置、结晶器以及流槽1，熔炼保温炉2的其中一侧侧壁的底部设有熔体出口，为了方便控制熔体流量，熔炉出口处设有控流阀。保温装置内设有通道，该通道入口位于保温装置前侧，通道出口位于保温装置下侧，结晶器安装于保温装置下方，熔体出口和流槽1的入口相连通，所述流槽1的出口和保温装置的通道入口相连通，保温装置的通道出口和结晶器的入口相连通。保温装置上还设有一通孔，该通孔与结晶器入口相连通，所述搅拌装置插入该通孔中。

如图1所示，搅拌装置包括搅拌叶2和旋转轴3，搅拌叶2安装于旋转轴下方，旋转轴3呈中空状且上下两端均设有开口，用于添加CNTs添加料。

如图1和图2所示，保温装置包括压板4、上保温板镶块5，上保温板6，中保温板7和下保温板8，下保温板8上设有开口，该开口即为保温装置的通道出口，所述搅拌装置的搅拌叶2容纳于该下保温板8的开口内，合金熔体也经该开口流入结晶器内，上保温板6位于下保温板8上方，上保温板7与下保温板8之间具有空隙形成所述保温装置通道，上保温板6上设有一用于供搅拌装置穿过的U型槽，该U型槽的槽口朝向流槽1的出口。中保温板7夹于上保温板6和下保温板8之间，且中保温板7上也设有一用于供搅拌装置穿过的U型槽，该U型槽的槽口朝向流槽1的出口。上保温板镶块5镶嵌于上保温板6的U型槽内，上保温板镶块5的其中一自由端，设有与搅拌装置旋转轴3相配合的缺口，该缺口和上保温板6的U型槽相配夹紧旋转轴3，从而减少搅拌叶上方外漏液面，降低氧化膜卷入风险。压板4覆盖于上保温板6和上保温板镶块5的上方，且压板4上也设有一用于供搅拌装置穿过的U型槽，该U型槽的槽口朝向流槽1的出口。上保温板镶块5和上保温板6分体设计从而方便了搅拌装置的安装，搅拌装置安装过程如下：首先固定位于保温装置以下部分的结晶器，然后将下保温板8放置于结晶器本体9上，接着将搅拌装置插入下保温板8的开口内，使得搅拌装置的搅拌叶2限位于该下保温板8的开口内，再将中保温板7放置到下保温板8上，之后将上保温板6和上保温板镶块5依次放置到中保温板7上，使得搅拌装置固定，最后将压板4盖于上保温板6和上保温板镶块5上，使得保温装置与结晶器本体构成一个半封闭内腔。

如图1所示，结晶器包括结晶器本体9、结晶器下板10，结晶器内衬11和引锭头12，结晶器下板10安装于结晶器本体9外边缘的下方，结晶器内衬11镶嵌于结晶器本体9内圈，引锭头12安装于结晶器本体9内腔的底部。

如图1及图2所示，本发明碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法如下：

（1）将铝合金在熔炼保温炉19内熔化精炼并保温，熔炼保温熔体温度控制在730-760℃，获得合金熔体；

（2）待所有工装准备就绪后从熔体出口放流铝熔体，并控制铝熔体流量使得流槽1内熔体13的液位线14水平高于保温装置通道入口，使得合金熔体经由保温装置通道流入结晶器内；

（3）之后连续添加定量包覆铜的CNTs粉末和定量的氮气或氩气到旋转轴3的空腔中，形成气粉混合体15，同时旋转轴3高速旋转带动搅拌叶2高速搅拌，气粉混合体经搅拌装置底部出口进入铝熔体中，经搅拌叶高速剪切，迅速分散到保温装置内的铝熔体中，形成CNTs分散熔体，通过结晶器对CNTs分散熔体进行半连续制造，CNTs分散熔体在结晶器内结晶形成液穴，将熔体分成液相区和固液两相区16，固液两相区16与复合材料铸锭18产生的分界线即为凝固前沿线17；

（4）随着结晶器内引锭头12不断下移，CNTs分散熔体在保温装置中源源不断被结晶器内衬11冷却，形成凝壳移出结晶器本体9，被结晶器喷出的冷却水强烈冷却，形成复合材料铸锭18。

进一步地，上述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，步骤（3）中气粉混合体添加于固液两相区内，尽可能在凝固前沿线上沿，CNTs分散熔体温度为液相线温度±8~12℃左右；搅拌装置的搅拌叶2设置于合金熔体的凝固前沿线17以上0~100mm，转速为500~2000转/分，高速的搅拌剪切可以在极短时间内显著改善微细颗粒与熔体的润湿性；步骤（3）中的CNTs添加量为待增强改性的铝合金基体重量的0.5~2.0%。以φ178mm圆锭为例，铸造速度为65~130mm/min，冷却水量为3~6 m3/h。

通过以上描述可以看出，本发明碳纳米增强铝基复合材料的制备方法，在结晶器内的铝熔体凝固前沿附近添加增强体CNTs气粉混合体，凝固前沿线附近铝熔体温度低、甚至半固态状态，粘度大能增大CNTs粉体上浮阻力，并且熔体很快就结晶凝固，CNTs粉体在铝熔体中停留时间短，CNTs粉体收得率高；本发明中定量的粉体和气体在搅拌装置内部通道内预混合，有利于CNTs粉体自身的分散均匀，同时增强体CNTs粉体出口在搅拌装置底部，紧邻高速旋转的搅拌叶，搅拌叶的高速剪切能够将CNTs粉体在熔体中很快分散；本发明中半连续铸造过程中通过控制流槽内熔体液面高度高于保温帽入口，铸造过程中搅拌叶上方熔体与外界接触面积非常小，能够大大减轻搅拌过程中卷入氧化膜等缺陷，同时该方法工艺简单，易于操作，生产效率高。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变形形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。