同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种碳纳米管作为增强相制备复合材料的方法，特别是涉及碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，应用于碳纳米管增强金属基复合材料技术领域。

背景技术

碳纳米管(cnts)是一类新型碳材料，是由单层或多层石墨片卷曲而成的中空无缝管状纳米结构材料。近年来，碳纳米管的制备、表征和应用研究引起人们的极大兴趣。碳纳米管具有管径小、长径比大的特点，使其具有优异的性能。多壁碳纳米管的平均杨氏模量约为1.8×10¹²pa，是钢的100倍，弯曲强度可达14.2gpa，所存应变能达100kev，显示出超强的力学性能，而密度仅为钢的1/6。碳纳米管在受力时，可以通过出现五边形和七边形对来释放应力，表现出良好的自润滑性能，这些为碳纳米管自润滑性能的应用展示了美好的前景。据估计，长度大于10nm的单壁碳纳米管，其热系数大于2800w/(m·k)，几乎和金刚石或蓝宝石有同样的导热能力，理论预测表明手性矢量为(10，10)的单壁碳纳米管在室温下甚至可达6600w/(m·k)。碳纳米管的导电性能受到其螺旋角以及直径的影响，可以是金属、半金属或半导体性，因而碳纳米管的传导性可通过改变管中网络结构和直径来改变它的电学性能。此外，碳纳米管还具有优良的光学、场发射、耐强酸强碱和耐高温氧化等特性。因此，碳纳米管是增强复合材料理想的候选材料之一。由于金属基复合材料具有良好的性能并已经得到广泛的使用，而且金属基复合材料的性能可以方便地通过调整增强相的含量来控制，所以碳纳米管作为增强相制备复合材料的研究首先在金属基上进行。目前，碳纳米管作为增强相在fe基、al基、cu基、mg基和ni基等复合材料方面已经取得了一定的进展。

制备碳纳米管增强金属基复合材料的方法有很多，参见图1，采用粉末冶金法、熔铸法、搅拌铸造法、热压法、电沉积法、化学共沉积法和原位合成法，以碳纳米管作为增强相，与一种金属复合，可显著提高金属基复合材料的力学和耐腐蚀性能。但由于碳纳米管密度较小，单壁碳纳米管的密度大致为1.2g/cm³，而金属材料，如mg(1.738g/cm³)、al(2.702g/cm³)、cu(8.96g/cm³)、ni(8.902g/cm³)、fe(7.874g/cm³)、ti(4.54g/cm³)，其密度均远远高于碳纳米管，因此在制备增强金属基复合材料过程中，碳纳米管不易混入金属熔体中。另外，由于碳纳米管之间存在很强的范德华力，极易产生团聚，导致碳纳米管在复合材料中很难均匀分散；碳纳米管是由单一的碳原子通过sp³杂化和sp²杂化组成，化学活性低，在制备复合材料时很难与金属基体形成有效结合。此外，碳纳米管的尺寸与金属晶格相差较大，在制备金属基复合材料时，碳纳米管无法进入金属中，被排斥在晶界上，碳纳米管很难与金属基体形成有效的界面结合，而上述的制备方式均不能彻底解决以上问题。因此，用碳纳米管作为增强相制备的金属基复合材料的性能提高并不是很大，还远没有达到理想值，特别是在力学性能方面。

采用碳纳米管+金属基复合材料作为关键词在美国的《工程文摘索引》(ei)、sciencedirect科技论文数据库、isiwebofscience等国外科技数据库、《中国期刊网》和《维普中文期刊数据库》等科技文献索引，均没有查到通过同源微滴混入碳纳米管进行增强金属基复合材料的制备的相关文献报道。另外还检索了美国专利商标局(uspto)、欧洲专利局(epo)、世界知识产权组织(wipo)、《中国专利信息网》以及《中华人民共和国国家知识产权局专利检索》，也没有发现通过同源微滴混入碳纳米管进行增强金属基复合材料的制备的相关文献报道。碳纳米管增强金属基复合材料中碳纳米管容易聚集、密度小、不易均匀分布于金属基体，制备工艺难于控制，这成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，将同种球形金属粉末与碳纳米管粉末混合后，在球磨机中进行球磨，获得粘结有碳纳米管的复合粉末，然后将粘结有碳纳米管的同种球形金属粉末加入到金属熔体中，并在添加过程中对金属熔体进行搅拌，使同种球形金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于金属熔体中，本发明保证了碳纳米管在金属熔体中的均匀、弥散分布，整个过程简单，高效，易于控制，适合推广应用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，步骤如下：

a.采用与制备碳纳米管增强金属基复合材料中所含金属同种材料，制备同种球形金属粉末作为添加原料，根据制备碳纳米管增强金属基复合材料中碳纳米管的添加量，将一定配比的同种球形金属粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中，进行球磨法混合，球形金属粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形金属粉末，备用；优选制备碳纳米管增强金属基复合材料的金属基体材料为mg、al、cu、ni、fe和ti中任意一种金属或者任意几种金属的合金；制备同种球形金属粉末的方式优选采用球磨法、气流磨粉碎法、等离子旋转电极法、气体雾化法或直流电弧法；制备同种球形金属粉末的方式采用直流电弧法时，优选在光学显微镜下对利用直流电弧法制备的球形金属粉末进行观察，挑选出球形度符合要求的球形金属粉末作为添加原料；对同种球形金属粉末与碳纳米管粉末进行球磨法混合时，优选控制球磨时间至少5h；

b.将在所述步骤a中得到的表面粘结有碳纳米管的球形金属粉末加入金属熔体中，并在添加表面粘结有碳纳米管的球形金属粉末过程中，对金属熔体进行搅拌，使同种球形金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于金属熔体中，当金属熔体凝固后，从而制备出碳纳米管在金属基体中均匀分布的增强金属基复合材料。金属熔体与球形金属粉末为同种金属，易于均匀混合。对金属熔体进行搅拌，搅拌方式优选采用机械搅拌、电磁搅拌和超声振动搅拌中的任意一种方法或者任意几种方法的组合。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法选取的用于粘结碳纳米管的球形金属粉末为同种金属材料，同种球形金属粉末的使用可以保证碳纳米管在混入金属熔体的过程中无污染，提高金属的纯度；

2.本发明方法球磨法制备的粘结有碳纳米管的球形金属粉末不仅密度与金属熔体相近，同时可较大程度上降低碳纳米管的表面能，提高碳纳米管与金属熔体之间的润湿性，减少碳纳米管的上浮聚集，增加碳纳米管与金属基材之间的结合力，提高碳纳米管的增强效果；

3.本发明方法同种球形金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀且弥散分布于金属熔体中，制备出碳纳米管在金属基体中均匀分布的增强金属基复合材料，为碳纳米管在金属熔体中均匀且弥散分布提供了一种操作简单、高效、便捷的方式。

附图说明

图1为现有技术制备碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法的工艺装置示意图。

图2为本发明实施例一～实施例七同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法的工艺装置示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一

在本实施例中，参加图2，一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，以制备碳纳米管增强al基复合材料为例，步骤如下：

(1)利用直流电弧法制备出球形al金属粉末，在光学显微镜下对利用直流电弧法制备的球形al金属粉末进行观察，挑选出球形度符合要求的球形al金属粉末作为添加原料；根据制备碳纳米管增强al基复合材料中碳纳米管的添加量，将一定配比的球形al金属粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中，进行球磨法混合，控制球磨时间5h，球形al金属粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形al金属粉末，备用；

(2)将在所述步骤(1)中得到的表面粘结有碳纳米管的球形al金属粉末直接加入到al金属熔体中，并在添加表面粘结有碳纳米管的球形al金属粉末过程中，对al金属熔体进行电磁搅拌，使球形al金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于al金属熔体中；

(3)当在所述步骤(2)中弥散球形al金属粉末的金属熔体凝固后，从而制备出碳纳米管在al金属基体中均匀分布的增强al金属基复合材料。

本实施例制备碳纳米管在al金属基体中均匀分布的增强al金属基复合材料。本实施例碳纳米管在金属熔体中的均匀、弥散分布，整个过程简单，高效，易于控制，适合推广应用。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参加图2，一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，以制备碳纳米管增强cu基复合材料为例，步骤如下：

(1)利用直流电弧法制备出球形cu金属粉末，在光学显微镜下对利用直流电弧法制备的球形cu金属粉末进行观察，挑选出球形度符合要求的球形cu金属粉末作为添加原料；根据制备碳纳米管增强cu基复合材料中碳纳米管的添加量，将一定配比的球形cu金属粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中，进行球磨法混合，控制球磨时间5h，球形cu金属粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形cu金属粉末，备用；

(2)将在所述步骤(1)中得到的表面粘结有碳纳米管的球形cu金属粉末直接加入到cu金属熔体中，并在添加表面粘结有碳纳米管的球形cu金属粉末过程中，对cu金属熔体进行电磁搅拌，使球形cu金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于cu金属熔体中；

(3)当在所述步骤(2)中弥散球形cu金属粉末的金属熔体凝固后，从而制备出碳纳米管在cu金属基体中均匀分布的增强cu金属基复合材料。

本实施例制备碳纳米管在cu金属基体中均匀分布的增强cu金属基复合材料。本实施例碳纳米管在金属熔体中的均匀、弥散分布，整个过程简单，高效，易于控制，适合推广应用。

实施例三

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参加图2，一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，以制备碳纳米管增强mg基复合材料为例，步骤如下：

(1)利用直流电弧法制备出球形mg金属粉末，在光学显微镜下对利用直流电弧法制备的球形mg金属粉末进行观察，挑选出球形度符合要求的球形mg金属粉末作为添加原料；根据制备碳纳米管增强mg基复合材料中碳纳米管的添加量，将一定配比的球形mg金属粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中，进行球磨法混合，控制球磨时间5h，球形mg金属粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形mg金属粉末，备用；

(2)将在所述步骤(1)中得到的表面粘结有碳纳米管的球形mg金属粉末直接加入到mg金属熔体中，并在添加表面粘结有碳纳米管的球形mg金属粉末过程中，对mg金属熔体进行电磁搅拌，使球形mg金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于mg金属熔体中；

(3)当在所述步骤(2)中弥散球形mg金属粉末的金属熔体凝固后，从而制备出碳纳米管在mg金属基体中均匀分布的增强mg金属基复合材料。

本实施例制备碳纳米管在mg金属基体中均匀分布的增强mg金属基复合材料。本实施例碳纳米管在金属熔体中的均匀、弥散分布，整个过程简单，高效，易于控制，适合推广应用。

实施例四

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参加图2，一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，以制备碳纳米管增强fe基复合材料为例，步骤如下：

(1)利用直流电弧法制备出球形fe金属粉末，在光学显微镜下对利用直流电弧法制备的球形fe金属粉末进行观察，挑选出球形度符合要求的球形fe金属粉末作为添加原料；根据制备碳纳米管增强fe基复合材料中碳纳米管的添加量，将一定配比的球形fe金属粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中，进行球磨法混合，控制球磨时间5h，球形fe金属粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形fe金属粉末，备用；

(2)将在所述步骤(1)中得到的表面粘结有碳纳米管的球形fe金属粉末直接加入到fe金属熔体中，并在添加表面粘结有碳纳米管的球形fe金属粉末过程中，对fe金属熔体进行电磁搅拌，使球形fe金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于fe金属熔体中；

(3)当在所述步骤(2)中弥散球形fe金属粉末的金属熔体凝固后，从而制备出碳纳米管在fe金属基体中均匀分布的增强fe金属基复合材料。

本实施例制备碳纳米管在fe金属基体中均匀分布的增强fe金属基复合材料。本实施例碳纳米管在金属熔体中的均匀、弥散分布，整个过程简单，高效，易于控制，适合推广应用。

实施例五

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参加图2，一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，以制备碳纳米管增强ni基复合材料为例，步骤如下：

(1)利用直流电弧法制备出球形ni金属粉末，在光学显微镜下对利用直流电弧法制备的球形ni金属粉末进行观察，挑选出球形度符合要求的球形ni金属粉末作为添加原料；根据制备碳纳米管增强ni基复合材料中碳纳米管的添加量，将一定配比的球形ni金属粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中，进行球磨法混合，控制球磨时间5h，球形ni金属粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形ni金属粉末，备用；

(2)将在所述步骤(1)中得到的表面粘结有碳纳米管的球形ni金属粉末直接加入到ni金属熔体中，并在添加表面粘结有碳纳米管的球形ni金属粉末过程中，对ni金属熔体进行电磁搅拌，使球形ni金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于ni金属熔体中；

(3)当在所述步骤(2)中弥散球形ni金属粉末的金属熔体凝固后，从而制备出碳纳米管在ni金属基体中均匀分布的增强ni金属基复合材料。

本实施例制备碳纳米管在ni金属基体中均匀分布的增强ni金属基复合材料。本实施例碳纳米管在金属熔体中的均匀、弥散分布，整个过程简单，高效，易于控制，适合推广应用。

实施例六

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参加图2，一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，以制备碳纳米管增强ti基复合材料为例，步骤如下：

(1)利用直流电弧法制备出球形ti金属粉末，在光学显微镜下对利用直流电弧法制备的球形ti金属粉末进行观察，挑选出球形度符合要求的球形ti金属粉末作为添加原料；根据制备碳纳米管增强ti基复合材料中碳纳米管的添加量，将一定配比的球形ti金属粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中，进行球磨法混合，控制球磨时间5h，球形ti金属粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形ti金属粉末，备用；

(2)将在所述步骤(1)中得到的表面粘结有碳纳米管的球形ti金属粉末直接加入到ti金属熔体中，并在添加表面粘结有碳纳米管的球形ti金属粉末过程中，对ti金属熔体进行电磁搅拌，使球形ti金属粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于ti金属熔体中；

(3)当在所述步骤(2)中弥散球形ti金属粉末的金属熔体凝固后，从而制备出碳纳米管在ti金属基体中均匀分布的增强ti金属基复合材料。

本实施例制备碳纳米管在ti金属基体中均匀分布的增强ti金属基复合材料。本实施例碳纳米管在金属熔体中的均匀、弥散分布，整个过程简单，高效，易于控制，适合推广应用。

实施例七

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参加图2，一种同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，以制备碳纳米管增强mg-al基复合材料为例，步骤如下：

(1)利用直流电弧法制备出球形mg-al合金粉末，在光学显微镜下对利用直流电弧法制备的球形mg-al合金粉末进行观察，挑选出球形度符合要求的球形mg-al合金粉末作为添加原料；根据制备碳纳米管增强mg-al基复合材料中碳纳米管的添加量，将一定配比的球形mg-al合金粉末与碳纳米管粉末放入球磨罐中，进行球磨法混合，控制球磨时间5h，球形mg-al合金粉末与碳纳米管粉末在球磨过程中会在粉末表面形成局部高温和压应力作用，得到表面粘结有碳纳米管的球形mg-al合金粉末，备用；

(2)将在所述步骤(1)中得到的表面粘结有碳纳米管的球形mg-al合金粉末直接加入到相同的mg-al合金熔体中，并在添加表面粘结有碳纳米管的球形mg-al合金粉末过程中，对mg-al合金熔体进行电磁搅拌，使球形mg-al合金粉末在高温下熔化，碳纳米管则均匀分布于mg-al合金熔体中；

(3)当在所述步骤(2)中弥散球形mg-al合金粉末的金属熔体凝固后，从而制备出碳纳米管在mg-al合金基体中均匀分布的增强mg-al合金基复合材料。

本实施例制备碳纳米管在mg-al合金基体中均匀分布的增强mg-al合金基复合材料，推而广之，能制备碳纳米管均匀分布的mg、al、cu、ni、fe和ti中任意几种金属的增强合金基复合材料。本实施例碳纳米管在金属熔体中的均匀、弥散分布，整个过程简单，高效，易于控制，适合推广应用。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明同源微滴混入碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。