一种用纳米铜颗粒催化固体碳源制备碳纳米片/铜/铝基复合材料的方法与流程

本发明涉及一种利用粉末冶金原位合成碳纳米片/铜/铝基复合材料的方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术：

随着航空航天、交通运输、电子工业等高新技术的飞速发展，对金属材料的性能提出了更高的要求。相比合金而言，金属基复合材料具有更高的比强度、比模量、低热膨胀系数、高热稳定性等优点，并可通过材料组成、结构与工艺设计，突破传统材料的技术瓶颈，实现在国防与民用尖端领域的应用。其中铝基体复合材料由于具有高比强、高比刚度、耐蚀性和耐磨性良好等优点，传统的增强体为颗粒、晶须和纤维，根据复合材料设计法则(ec＝(1-f)em+fep)，第二相的添加在实现强化效果的同时，还可以克服基体材料的一些不足，从而获得轻质高强的复合材料，克服传统方法的不足。

碳纳米材料作为21世纪备受瞩目的材料之一，具有很重要的研究价值和应用前景。研究发现，碳纳米片具有优良的力学性能，用碳纳米片作为增强相来实现增强基体材料表现出优异效果。目前很多研究致力于将碳纳米片和铝粉直接进行球磨混合，但是这会造成碳纳米材料的团聚并对其本身造成损伤。这是目前碳纳米片增强铝基复合材料遇到的瓶颈所在，如何做到碳纳米片在基体中均匀分散以及结构完好是目前研究的焦点。

在此之前，研究人员利用在铜片上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)薄膜，然后经过还原可制备高质量的碳纳米片层材料甚至是石墨烯。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种工艺简单的粉末冶金原位合成碳纳米片/铜/铝基复合材料的方法。该方法能够有效克服传统外加碳纳米片所带来的问题，过程简单易行，所制得复合材料力学性能优良。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案加以实现的，

一种用纳米铜颗粒催化固体碳源制备碳纳米片/铜/铝基复合材料的方法，其特征包括以下过程：

(1)以湿化学置换反应获得纳米铜颗粒；

(2)球磨纳米铜颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯和铝粉

将钢球：铝粉：步骤(1)制得的纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯按质量比分别为120：12：(0.12-0.24)：(0.12-0.24)加入球磨罐中，添加适量硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛；经过球磨，制得分散均匀纳米铜颗粒/聚甲基丙烯酸甲酯/铝的粉末；

(3)制备碳纳米片/铜/铝基复合材料块体

将步骤(2)制得的纳米铜颗粒/聚甲基丙烯酸甲酯/铝的粉末进行冷压成型，然后在管式炉中进行煅烧、烧结处理；煅烧温度设定在620-640℃，还原气氛为氩气；聚甲基丙烯酸甲酯在铝粉片层之间被纳米铜颗粒催化成碳纳米片，得到碳纳米片原位生长的碳纳米片/铜/铝基复合材料块体；

(4)对复合材料块体进行热挤压处理

将步骤(3)制得的碳纳米片/铜/铝基复合材料块体放入箱式加热炉中加热至540-560℃，至少保温1h，然后进行热挤压处理，获得挤压态复合棒材。

有选地，步骤1)选用的硬脂酸的量与聚甲基丙烯酸甲酯的质量配比为(1-2)：1。

步骤2)球磨条件为400转/分，球磨2h。

步骤3)冷压成型时，压力为500mpa，保压时间为3min；管式炉煅烧、烧结时，气体流量设定在200-300ml/min，煅烧、烧结时间为1h。

步骤4)进行热挤压处理时挤压比为16:1。

本发明具有以下优点：首先以湿化学置换反应获得纳米铜颗粒，然后直接采用球磨的方式，使固体碳源pmma、纳米铜颗粒在铝粉表面实现较为均匀的负载。冷压成型后通过一步法煅烧使固体碳源还原分解为碳纳米片，同时完成块体材料烧结的过程。采用该方法制备的碳纳米片/铜/铝基复合材料，其拉伸性能较基体材料有显著提高且延伸率具有较好的保持。

本发明利用球磨法结合粉末冶金法原位生长碳纳米片，并且实现了对铝基体材料的强化，对于高强铝材在结构材料方面的应用有较好前景。

附图说明

图1a为实施例1中制备的纳米铜颗粒的扫描照片。

图1b为实施例2中球磨过后的扫描照片。

图1c为实施例3中球磨过后的扫描照片。

图1d为实施例4中球磨过后的扫描照片。

图2a为实施例5中挤压态复合材料块体的径向金相照片。

图2b为实施例5中挤压态复合材料块体的轴向金相照片。

图3为实施例6中复合材料块体的透射照片。

图4为实施例7中复合材料断口扫描照片。

图5为实施例8中复合材料断口扫描照片。

图6为实施例9中复合材料断口扫描照片。

图7为实施例7、8、9、10中抗拉强度曲线。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明，这些实施例只用于说明本发明，并不限制本发明。

实施例1

配制浓度为1mol/l氯化铜溶液，加入10g铝粉，通过磁力搅拌进行化学置换反应3cucl2+2al＝3cu+2alcl3，将红棕色固体产物过滤、洗涤，放入真空烘箱进行80℃干燥6h，获得纳米铜颗粒。产物形貌如图1a所示。

实施例2

将钢球：铝粉：纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯以按质量(g)比分别为120：12：0.12：0.12加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨结果如图1b所示。

实施例3

将钢球：铝粉：纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯以按质量(g)比分别为120：12：0.12：0.24加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨结果如图1c所示。

实施例4

将钢球：铝粉：纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯以按质量(g)比分别为120：12：0.24：0.24加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨结果如图1d所示。

实施例5

将钢球：铝粉：纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯以按质量(g)比分别为120：12：0.24：0.24加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨后的复合粉末冷压成型后在管式炉中进行煅烧还原及烧结处理。煅烧及烧结温度设定在630℃，气氛为氩气，时间为1h。在箱式加热炉中以550℃加热1h，按挤压比16:1进行热挤压处理得到挤压态棒材试样，试样沿径向和轴向分别制备金相试样，通过光学显微镜观察金相照片如图2a(径向)图2b(轴向)所示。

实施例6

将钢球：铝粉：纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯以按质量(g)比分别为120：12：0.24：0.24加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨后的复合粉末冷压成型后在管式炉中进行煅烧还原及烧结处理。煅烧及烧结温度设定在630℃，气氛为氩气，时间为1h。在箱式加热炉中以550℃加热1h，按挤压比16:1进行热挤压处理得到挤压态棒材试样，试样沿轴向切取薄片，通过离子剪薄处理后观察到的块体材料透射照片如图3所示。

实施例7

将钢球：铝粉：纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯以按质量(g)比分别为120：12：0.12：0.12加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨后的复合粉末冷压成型后在管式炉中进行煅烧还原及烧结处理。煅烧及烧结温度设定在630℃，气氛为氩气，时间为1h。在箱式加热炉中以550℃加热1h，按挤压比16:1进行热挤压处理得到挤压态棒材试样。在万能试验机下测试其拉伸性能，其拉伸强度达到156mpa。断口形貌如图4所示，抗拉强度曲线如图7曲线2所示。

实施例8

将钢球：铝粉：纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯以按质量(g)比分别为120：12：0.12：0.24加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨后的复合粉末冷压成型后在管式炉中进行煅烧还原及烧结处理。煅烧及烧结温度设定在630℃，气氛为氩气，时间为1h。在箱式加热炉中以550℃加热1h，按挤压比16:1进行热挤压处理得到挤压态棒材试样。在万能试验机下测试其拉伸性能，其拉伸强度达到173mpa。断口形貌如图5所示，抗拉强度曲线如图7曲线3所示。

实施例9

将钢球：铝粉：纳米铜颗粒：聚甲基丙烯酸甲酯以按质量(g)比分别为120：12：0.24：0.24加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨后的复合粉末冷压成型后在管式炉中进行煅烧还原及烧结处理。煅烧及烧结温度设定在630℃，气氛为氩气，时间为1h。在箱式加热炉中以550℃加热1h，按挤压比16:1进行热挤压处理得到挤压态棒材试样。在万能试验机下测试其拉伸性能，其拉伸强度达到194mpa。断口形貌如图6所示，抗拉强度曲线如图7曲线3所示。

实施例10(空白对照试验)

将钢球：铝粉以按质量(g)比分别为120：12加入球磨罐中，添加0.12g硬脂酸作为过程控制剂，抽真空后充满氩气作为保护性气氛。在行星式球磨机中经过中速短时球磨(400转/分，球磨2h)。球磨后的复合粉末冷压成型后在管式炉中进行煅烧还原及烧结处理。煅烧及烧结温度设定在630℃，气氛为氩气，时间为1h。在箱式加热炉中以550℃加热1h，按挤压比16:1进行热挤压处理得到挤压态棒材试样。在万能试验机下测试其拉伸性能，其拉伸强度达到125mpa。抗拉强度曲线如图7曲线1所示。