一种非晶合金复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种非晶合金材料，尤其涉及一种非晶合金复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

非晶合金材料具有高的比强度、比模量、较高的硬度、耐磨及耐腐蚀性，已经在航空航天、汽车运动产品等领域获得应用并引起越来越多的关注。但是由于非晶合金不具备塑性变形，其到达弹性极限后及失效断裂的特性也限制了其应用范围。针对此情况已有大量的研究工作来提高非晶合金的塑形指标，如通过成分调节生成内生强化相、表面应力处理、表面涂层等方式，但是效果都不理想。

碳纳米管具有独特的结构和优异的物理、化学性能(其杨氏模量可达1-1.8TPa，抗拉强度可达150GPa，密度可达1.2-1.8g/cm³，热膨胀系数几乎为零，同时还具有良好的韧性和塑性变形能力)，其综合性能远优于目前存在的颗粒或纤维，是复合材料的一种理想增强体。然而，碳管比表面积大、表面能高，它们之间常以范德华力吸附在一起(相互接触的碳纳米管之间的范德瓦尔斯结合能约为500eV/μm)形成团聚体；此外，碳管表面惰性大，缺少活性基团，在各种溶剂中的溶解度都很低，这就对其在基体中的分散以及它们与金属间的界面结合带来很大困难。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种非晶合金复合材料，它具有良好的韧性和塑性变形能力，同时具有微观组织均匀、界面结合良好的特点。

本发明的目的之二在于提供一种非晶合金复合材料的制备方法，该方法能够改善碳纳米管在非晶合金材料中的分散性、提高碳纳米管与非晶合金材料之间的结合力；采用该方法制备得到的非晶合金复合材料具有良好的韧性和塑性变形能力，同时具有微观组织均匀、界面结合良好的特点。

本发明的目的之三在于提供一种非晶合金复合材料的应用。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种非晶合金复合材料，其特征在于，包括以重量百分含量计的如下原料制备而成：非晶合金材料97-99.9％，混酸改性碳纳米管0.1-3％；其中，所述混酸改性碳纳米管由重量比为1:10-20的碳纳米管和混酸制备而成。

进一步地，所述混酸包括浓硫酸和浓硝酸，浓硫酸和浓硝酸的体积比为4:1-1.5。

进一步地，所述碳纳米管的直径为10-100nm，长度为2-80μm。

进一步地，所述非晶合金材料为锆基非晶合金、钛基非晶合金、铝基非晶合金中的一种。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种非晶合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

混酸改性碳纳米管的制备步骤：将配方量的碳纳米管加入配方量的混酸中，超声处理1-2h，然后加入等离子水清洗至中性，放入干燥箱内进行干燥，干燥完全后，得到混酸改性碳纳米管，备用；

球磨、压制步骤：将配方量的非晶合金材料与配方量的混酸改性碳纳米管装入球磨机的球磨罐中，通入液氮进行低温球磨；球磨结束后，将球磨罐打开静置，待液氮挥发后，得到干燥的混合粉末；然后将干燥的混合粉末压制成块，得到块状混合料；

加热成型步骤：将块状混合料加热至非晶合金熔融，形成包含碳纳米管的非晶合金熔融母合金；然后通过压铸、浇铸或喷涂的方式成型，冷却后，得到非晶合金复合材料。

进一步地，混酸改性碳纳米管的制备步骤中，干燥箱的干燥温度为80-98℃。

进一步地，球磨、压制步骤中，球磨机的转速为80-500r/min,球磨时间为0.5-10h，温度为室温，球料质量比为1:5-50，磨球材质为钢或陶瓷，直径为3-15mm。

进一步地，球磨、压制步骤中，静置时间为2-4h，压制压力为10-150MPa，压制时间为15s-5min。

进一步地，加热成型步骤中，加热方式为电阻加热或者感应加热。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种非晶合金复合材料在消费类电子产品外壳中的应用，所述消费类电子产品外壳选自蜂窝电话，平板电脑，PDA，便携式计算机，数码相机，导航仪，无人机，遥控机器人，VR眼镜中的一种设备的外壳。

本发明的有益效果在于：

本发明的非晶合金复合材料由非晶合金材料和混酸改性碳纳米管制备而成，其中，混酸改性碳纳米管采用混酸氧化法对碳纳米管进行化学改性，在碳纳米管的表面接枝了羧基、羟基含氧基团，改善了碳纳米管在非晶合金材料中的分散性、提高碳纳米管与非晶合金材料之间的结合力，结合的效果更加明显。之后在液氮环境下进行低温球磨，使碳纳米管进一步分散，并且与非晶合金基体实现深度融合。采用该方法制备得到的非晶合金复合材料具有良好的韧性和塑性变形能力，同时具有微观组织均匀、界面结合良好的特点。

附图说明

图1为实施例1的非晶合金复合材料经过失效检测时的断裂位置SEM检测图片。

图2为实施例2的非晶合金复合材料经过失效检测时的断裂位置SEM检测图片。

图3为实施例3的非晶合金复合材料经过失效检测时的断裂位置SEM检测图片。

图4为实施例4的非晶合金复合材料经过失效检测时的断裂位置SEM检测图片。

具体实施例方式

下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

一种非晶合金复合材料，包括以重量百分含量计的如下原料制备而成：非晶合金材料97-99.9％，混酸改性碳纳米管0.1-3％；其中，所述混酸改性碳纳米管由重量比为1:10-20的碳纳米管和混酸制备而成。

作为进一步地实施方式，所述混酸包括浓硫酸和浓硝酸，浓硫酸和浓硝酸的体积比为4:1-1.5。

作为进一步地实施方式，所述碳纳米管的直径为10-100nm，长度为2-80μm。

作为进一步地实施方式，所述非晶合金材料为锆基非晶合金、钛基非晶合金、铝基非晶合金中的一种。

一种非晶合金复合材料的制备方法，包括：

混酸改性碳纳米管的制备步骤：将配方量的碳纳米管加入配方量的混酸中，超声处理1-2h，然后加入等离子水清洗至中性，放入干燥箱内进行干燥，干燥完全后，得到混酸改性碳纳米管，备用；

球磨、压制步骤：将配方量的非晶合金材料与配方量的混酸改性碳纳米管装入球磨机的球磨罐中，通入液氮进行低温球磨；球磨结束后，将球磨罐打开静置，待液氮挥发后，得到干燥的混合粉末；然后将干燥的混合粉末压制成块，得到块状混合料；

加热成型步骤：将块状混合料加热至非晶合金熔融，形成包含碳纳米管的非晶合金熔融母合金；然后通过压铸、浇铸或喷涂的方式成型，冷却后，得到非晶合金复合材料。

作为进一步地实施方式，混酸改性碳纳米管的制备步骤中，干燥箱的干燥温度为80-98℃。

作为进一步地实施方式，球磨、压制步骤中，球磨机的转速为80-500r/min,球磨时间为0.5-10h，温度为室温，球料质量比为1:5-50，磨球材质为钢或陶瓷，直径为3-15mm。

作为进一步地实施方式，球磨、压制步骤中，静置时间为2-4h，压制压力为10-150MPa，压制时间为15s-5min。

作为进一步地实施方式，加热成型步骤中，加热方式为电阻加热或者感应加热。

一种非晶合金复合材料在消费类电子产品外壳中的应用，所述消费类电子产品外壳选自蜂窝电话，平板电脑，PDA，便携式计算机，数码相机，导航仪，无人机，遥控机器人，VR眼镜中的一种设备的外壳。

以下时本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。

实施例1：

一种非晶合金复合材料，包括以重量百分含量计的如下原料制备而成：非晶合金材料98％，混酸改性碳纳米管2％；其中，所述混酸改性碳纳米管由重量比为1:15的碳纳米管和混酸制备而成。

非晶合金材料为Zr59.67Hf0.97Cu12.98Al18.5Ti7.86Y0.02。

一种非晶合金复合材料的制备方法，包括：

混酸改性碳纳米管的制备步骤：将配方量的碳纳米管加入配方量的混酸中，超声处理1.5h，然后加入等离子水清洗至中性，放入干燥箱内进行干燥，干燥箱的干燥温度为90℃，干燥完全后，得到混酸改性碳纳米管，备用；

球磨、压制步骤：将配方量的非晶合金材料与配方量的混酸改性碳纳米管装入球磨机的球磨罐中，通入液氮进行低温球磨；球磨结束后，将球磨罐打开静置，待液氮挥发后，得到干燥的混合粉末；然后将干燥的混合粉末压制成块，得到块状混合料；球磨机的转速为250r/min,球磨时间为0.8h，温度为室温，球料质量比为1:25，磨球材质为钢或陶瓷，直径为10mm；静置时间为3h，压制压力为100MPa，压制时间为3min；

加热成型步骤：将块状混合料加热至非晶合金熔融，形成包含碳纳米管的非晶合金熔融母合金；然后通过压铸、浇铸或喷涂的方式成型，冷却后，得到非晶合金复合材料。

参照图1，将非晶合金复合材料压铸制成100×10×3mm的样件，对其施加剪切力进行破坏之后，在断口处进行SEM分析，图中深色区域为非晶合金基体，浅色的条状区域为碳纳米管富集的团簇，由此可见碳纳米管在非晶合金基体中分散均匀。

塑性变形检测：三点弯曲实验，塑性应变为2.3％。

实施例2：

一种非晶合金复合材料，包括以重量百分含量计的如下原料制备而成：非晶合金材料97％，混酸改性碳纳米管3％；其中，所述混酸改性碳纳米管由重量比为1:10的碳纳米管和混酸制备而成。

一种非晶合金复合材料的制备方法，包括：

混酸改性碳纳米管的制备步骤：将配方量的碳纳米管加入配方量的混酸中，超声处理1h，然后加入等离子水清洗至中性，放入干燥箱内进行干燥，干燥箱的干燥温度为80℃，干燥完全后，得到混酸改性碳纳米管，备用；

球磨、压制步骤：将配方量的非晶合金材料与配方量的混酸改性碳纳米管装入球磨机的球磨罐中，通入液氮进行低温球磨；球磨结束后，将球磨罐打开静置，待液氮挥发后，得到干燥的混合粉末；然后将干燥的混合粉末压制成块，得到块状混合料；球磨机的转速为80r/min,球磨时间为10h，温度为室温，球料质量比为1:5，磨球材质为钢或陶瓷，直径为3mm；静置时间为2h，压制压力为50MPa，压制时间为60s；

加热成型步骤：将块状混合料加热至非晶合金熔融，形成包含碳纳米管的非晶合金熔融母合金；然后通过压铸、浇铸或喷涂的方式成型，冷却后，得到非晶合金复合材料。

参照图2，将非晶合金复合材料压铸制成100×10×3mm的样件，对其施加剪切力进行破坏之后，在断口处进行SEM分析，图中深色区域为非晶合金基体，浅色的条状区域为碳纳米管富集的团簇，由此可见碳纳米管在非晶合金基体中分散均匀。

实施例3：

一种非晶合金复合材料，包括以重量百分含量计的如下原料制备而成：非晶合金材料99％，混酸改性碳纳米管1％；其中，所述混酸改性碳纳米管由重量比为1:20的碳纳米管和混酸制备而成。

一种非晶合金复合材料的制备方法，包括：

混酸改性碳纳米管的制备步骤：将配方量的碳纳米管加入配方量的混酸中，超声处理2h，然后加入等离子水清洗至中性，放入干燥箱内进行干燥，干燥箱的干燥温度为98℃，干燥完全后，得到混酸改性碳纳米管，备用；

球磨、压制步骤：将配方量的非晶合金材料与配方量的混酸改性碳纳米管装入球磨机的球磨罐中，通入液氮进行低温球磨；球磨结束后，将球磨罐打开静置，待液氮挥发后，得到干燥的混合粉末；然后将干燥的混合粉末压制成块，得到块状混合料；球磨机的转速为500r/min,球磨时间为0.5h，温度为室温，球料质量比为1:50，磨球材质为钢或陶瓷，直径为15mm；静置时间为4h，压制压力为150MPa，压制时间为15s；

加热成型步骤：将块状混合料加热至非晶合金熔融，形成包含碳纳米管的非晶合金熔融母合金；然后通过压铸、浇铸或喷涂的方式成型，冷却后，得到非晶合金复合材料。

参照图3，将非晶合金复合材料热压制成20×φ8mm的样件，对其施加剪切力进行破坏之后，在断口处进行SEM分析，图中深色区域为非晶合金基体，浅色的条状区域为碳纳米管富集的团簇，由此可见碳纳米管在非晶合金基体中分散均匀。

实施例4：

一种非晶合金复合材料，包括以重量百分含量计的如下原料制备而成：非晶合金材料99.9％，混酸改性碳纳米管0.1％；其中，所述混酸改性碳纳米管由重量比为1:15的碳纳米管和混酸制备而成。

一种非晶合金复合材料的制备方法，包括：

混酸改性碳纳米管的制备步骤：将配方量的碳纳米管加入配方量的混酸中，超声处理2h，然后加入等离子水清洗至中性，放入干燥箱内进行干燥，干燥箱的干燥温度为95℃，干燥完全后，得到混酸改性碳纳米管，备用；

球磨、压制步骤：将配方量的非晶合金材料与配方量的混酸改性碳纳米管装入球磨机的球磨罐中，通入液氮进行低温球磨；球磨结束后，将球磨罐打开静置，待液氮挥发后，得到干燥的混合粉末；然后将干燥的混合粉末压制成块，得到块状混合料；球磨机的转速为200r/min,球磨时间为4h，温度为室温，球料质量比为1:10，磨球材质为钢或陶瓷，直径为10mm；静置时间为3h，压制压力为80MPa，压制时间为4min；

加热成型步骤：将块状混合料加热至非晶合金熔融，形成包含碳纳米管的非晶合金熔融母合金；然后通过压铸、浇铸或喷涂的方式成型，冷却后，得到非晶合金复合材料。

参照图4，将非晶合金复合材料热压制成20×φ8mm的样件，对其施加剪切力进行破坏之后，在断口处进行SEM分析，图中深色区域为非晶合金基体，浅色的条状区域为碳纳米管富集的团簇，由此可见碳纳米管在非晶合金基体中分散均匀。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。