碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构的制备方法与流程

本发明属于泡沫铝填充复合结构制备技术领域，涉及到以原位生长的碳纳米管作为增强相，以及以复合泡沫材料作为芯材填充金属管实现协同增强，从而实现了高强度，高吸能的填充结构的制备。

背景技术：

泡沫铝作为结构功能一体化材料的代表，由于具有基体元素储量丰富、密度低、阻尼性能好、吸能能力强等优良性能近年来被逐步应用在航空航天、轨道交通等各个领域。但泡沫铝在单独使用时可承受载荷小，易失稳坍塌的缺陷使其应用受到了很大的限制。薄壁管结构轴向的承载力稳定，行程利用率长，是传统的吸能减震材料，但其也存在非轴向承载能力差，失效过程难以控制等诸多问题。将泡沫铝和金属薄壁管复合制备的填充结构，弥补了泡沫铝和金属管各自的缺点，既具有独立承载能力，又具备稳定性高、可在极端的环境下服役等突出优点，因此受到研究者的普遍关注。目前已有的实验证明填充泡沫铝有助于促使金属管按照更加稳定可控的模式变形，但同时也表明，只有泡沫铝的强度与金属管壁的强度实现良好的匹配时才能实现获得更高的承载力和更好的吸能效果。

碳纳米管(cnts)由于具有低密度、高比强度等优异性能而被广泛认为是金属基复合材料的理想增强相。尤其是以cnts作为增强相来制备复合材料，可以克服传统材料在应用上的一些限制。然而由于cnts具有较大的长径比，造成了cnts极易在铝基体中团聚，难以实现均匀分散。目前常用的分散方法均会对cnts的结构造成严重的破坏。而采用原位化学气相沉积法在铝粉表面合成了cnts，再通过短时球磨和填加造孔剂的方法制备cnts增强的复合泡沫铝的方法既解决了cnts的均匀分散问题、提高了碳管的添加量，又能使金属基体和cnts之间形成良好的界面结合。

综上所述，采用原位气相沉积法制备的cnts/al复合粉末结合填加造孔剂法可以实现高强度的碳纳米管增强复合泡沫铝的制备。通过将复合泡沫表面轻微打磨再填充进内径与泡沫直径一致的金属管中可以以一种较为简便的方式实现泡沫与金属管壁的紧密结合。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、泡沫参数精确控制、产品减震吸能效果好的碳纳米管增强的泡沫铝填充金属管复合结构的制备方法。本发明的技术方案为：

一种碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构的制备方法，通过以下步骤实现：

(1)将铝粉和六水合硝酸钴按照160-40：1的质量比加入到质量为铝粉的5-10倍的无水乙醇中，利用超声加速硝酸钴的溶解，之后在60℃的水浴加热中持续搅拌直至乙醇挥发完全。再将得到的混合物置于80℃的烘箱中烘干6小时以上，将得到的干燥完全的粉末置于管式炉中，在氩气的保护下升温至250℃，切换至流量为200-300ml/min的氢气，并分别在250℃和450℃下分别保温1小时；随后关闭氢气，在氩气的保护下升温至600℃，并按照乙炔和氩气为1：12的比例通入二者的混合气体，在600℃下反应15-60m分钟，最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到铝粉表面均匀负载着碳纳米管的复合粉末；

(2)将步骤(1)获得的复合粉末进行机械球磨，球料比为10-15:1球磨转速为300-450rpm，球磨60-120min；

(3)将球磨后的复合粉末与其质量70％-200％的直径为1-3mm的尿素混合均匀，将混合物置于冷压模具中，在400-500mpa下保压3-5min实现冷压成型；

(4)冷压后的试样在60-80℃的温度下水浴6-8h除去尿素，水浴后将试样置于烘箱中烘干；

(5)烘干后的试样置于管式炉中，在200-300ml/min流量的氩气保护下以5℃/min的速率升温至650℃下烧结2-4h，烧结完成后随炉冷却至室温；

(6)将烧结后的试样表面轻微打磨后填入薄壁空心铝合金管中，得到碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构。

本发明的碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构及其制备方法具有以下有益效果：

(1)本发明采用将碳纳米增强的复合泡沫铝表面进行轻微打磨后直接填入铝合金管中的方法实现填充，极大地减小了填充芯材与金属管壁之间的间隙，使金属管与泡沫之间实现良好的载荷传递，增强了减震吸能效果。

(2)本发明包含的开孔cnts/al复合泡沫的制备方法中，对原位化学气相沉积制备cnts/al复合粉末进行短时机械球磨，使cts嵌入al基体中，从而使铝粉颗粒之间具有更好的结合力。从而起到具有更好的增强效果。

(3)本发明的碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构中泡沫铝材料为开孔结构，泡孔分布均匀，泡孔尺寸均一，孔径可控制在1-3mm之间。其压缩应力-应变曲线存在明显的应力值较高的平台区，使得复合泡沫具有更高的吸能减震效果。

(4)本工艺的制备方法采用填加造孔剂法制备复合泡沫，可以实现对于泡沫的孔隙率、孔尺寸和孔径均一程度精确控制，而且本发明的cnts/a复合泡沫线性区平滑，平台区应力可达～30mpa，充分提高了其吸能性能。且填充结构的吸能曲线远高于泡沫材料与金属管的吸能曲线之和。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构的主视图；

图2为本发明的碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构的中间截面侧视图；

图3为本发明实施例1制得的制得的复合泡沫填充结构的应力-应变曲线与复合泡沫和金属管的应力-应变曲线加和的对比图(复合泡沫孔隙率为60％)。

图4为本发明实施例1制得的复合泡沫填充结构与纯铝泡沫填充结构的应力-应变曲线对比图(复合泡沫与纯铝泡沫孔隙率均为60％)；

图5为本发明实施例1制得的填充结构的吸能曲线与泡沫和金属管的吸能曲线之和对比图(复合泡沫孔隙率为60％)。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例中开孔cnts/al复合泡沫的制备方法包括以下步骤：(1)将铝粉和六水合硝酸钴按照40：1的质量比加入到质量为铝粉的7倍的无水乙醇中。利用超声加速硝酸钴的溶解，之后在60℃的水浴加热中持续搅拌直至乙醇挥发完全。再将得到的混合物置于80℃的烘箱中烘干8小时。将得到的干燥完全的粉末置于管式炉中，在氩气的保护下升温至250℃，切换至流量为200ml/min的氢气，并分别在250℃和450℃下分别保温1小时。随后关闭氢气，在氩气的保护下升温至600℃，并按照乙炔和氩气为1：12的比例通入二者的混合气体，在600℃下反应30m分钟，最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到铝粉表面均匀负载着碳纳米管的复合粉末；

(2)将步骤(1)获得的复合粉末进行机械球磨，球料比为10:1球磨转速为400rpm，球磨90min；

(3)将球磨后的复合粉末与其质量75％的直径为2.5mm的尿素混合均匀。将混合物置于冷压模具中，在500mpa下保压5min实现冷压成型(制得的复合泡沫孔隙率为60％)；

(4)冷压后的试样在80℃的温度下水浴6h除去尿素，水浴后将试样置于烘箱中烘干；

(5)烘干后的试样置于管式炉中，在200ml/min流量的氩气保护下以5℃/min的速率升温至650℃下烧结3h，烧结完成后随炉冷却至室温；

(6)将烧结后的试样表面轻微打磨后填入薄壁空心铝合金管中，得到碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构。金属薄壁管的管壁内径与复合泡沫的直径尺寸一致，需通过对复合泡沫表面轻微打磨后再将泡沫填入金属管中，尽量保持泡沫和管壁之间缝隙最小。

该构件为圆柱状结构，外壁为6061铝合金薄壁管，内部填充芯为原位生长的碳纳米管增强的泡沫铝芯材。所述的泡沫铝为开孔结构。该种复合填充结构，弥补了泡沫铝单独使用时可承受载荷小，易失稳坍塌的缺陷和金属管非轴向承载能力差，失效过程难以控制，横向吸能效果远远不如纵向等诸多问题。该种复合结构既有独立承载能力，又具备稳定性高、可在极端的环境下服役等突出优点。该复合结构可以在变形过程中吸收更多的能量，实现良好的减震吸能，抗撞抗冲击的作用。本发明在汽车制造业具有极其巨大的应用潜力，可以在实际应用中作为吸能减震抗冲击的保护结构。

实施例2

本实施例中开孔cnts/al复合泡沫的制备方法包括以下步骤：(1)将铝粉和六水合硝酸钴按照80：1的质量比加入到质量为铝粉的10倍的无水乙醇中。利用超声加速硝酸钴的溶解，之后在60℃的水浴加热中持续搅拌直至乙醇挥发完全。再将得到的混合物置于80℃的烘箱中烘干8小时。将得到的干燥完全的粉末管式炉中，在氩气的保护下升温至250℃，切换至流量为250ml/min的氢气，并分别在250℃和450℃下分别保温1小时。随后关闭氢气，在氩气的保护下升温至600℃，并按照乙炔和氩气为1：12的比例通入二者的混合气体，在600℃下反应60m分钟，最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到铝粉表面均匀负载着碳纳米管的复合粉末；

(2)将步骤(1)获得的复合粉末进行机械球磨，球料比为15:1球磨转速为350rpm，球磨90min；

(3)将球磨后的复合粉末与其质量115％的直径为2mm的尿素混合均匀。将混合物置于冷压模具中，在500mpa下保压3min实现冷压成型(制得的复合泡沫孔隙率为70％)；

(4)冷压后的试样在80℃的温度下水浴6h除去尿素，水浴后将试样置于烘箱中烘干；

(5)烘干后的试样置于管式炉中，在250ml/min流量的氩气保护下以5℃/min的速率升温至650℃下烧结3h，烧结完成后随炉冷却至室温；

(6)将烧结后的试样表面轻微打磨后填入薄壁空心铝合金管中，得到碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构。

实施例3

本实施例中开孔cnts/al复合泡沫的制备方法包括以下步骤：(1)将铝粉和六水合硝酸钴按照120：1的质量比加入到质量为铝粉的8倍的无水乙醇中。利用超声加速硝酸钴的溶解，之后在60℃的水浴加热中持续搅拌直至乙醇挥发完全。再将得到的混合物置于80℃的烘箱中烘干8小时。将得到的干燥完全的粉末置于管式炉中，在氩气的保护下升温至250℃，切换至流量为240ml/min的氢气，并分别在250℃和450℃下分别保温1小时。随后关闭氢气，在氩气的保护下升温至600℃，并按照乙炔和氩气为1：12的比例通入二者的混合气体，在600℃下反应60m分钟，最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到铝粉表面均匀负载着碳纳米管的复合粉末；

(2)将步骤(1)获得的复合粉末进行机械球磨，球料比为10:1球磨转速为400rpm，球磨60min；

(3)将球磨后的复合粉末与其质量75％的直径为2.5mm的尿素混合均匀，尿素的质量为混合物质量的40％-79％。将混合物置于冷压模具中，在500mpa下保压5min实现冷压成型(制得的复合泡沫孔隙率为60％)；

(4)冷压后的试样在60℃的温度下水浴8h除去尿素，水浴后将试样置于烘箱中烘干；

(5)烘干后的试样置于管式炉中，在240ml/min流量的氩气保护下以5℃/min的速率升温至650℃下烧结2.5h，烧结完成后随炉冷却至室温；

(6)将烧结后的试样表面轻微打磨后填入薄壁空心铝合金管中，得到碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构。

实施例4

本实施例中开孔cnts/al复合泡沫的制备方法包括以下步骤：(1)将铝粉和六水合硝酸钴按照40：1的质量比加入到质量为铝粉的10倍的无水乙醇中。利用超声加速硝酸钴的溶解，之后在60℃的水浴加热中持续搅拌直至乙醇挥发完全。再将得到的混合物置于80℃的烘箱中烘干8小时。将得到的干燥完全的粉末置于管式炉中，在氩气的保护下升温至250℃，切换至流量为200ml/min的氢气，并分别在250℃和450℃下分别保温1小时。随后关闭氢气，在氩气的保护下升温至600℃，并按照乙炔和氩气为1：12的比例通入二者的混合气体，在600℃下反应15m分钟，最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到铝粉表面均匀负载着碳纳米管的复合粉末；

(2)将步骤(1)获得的复合粉末进行机械球磨，球料比为10:1球磨转速为350rpm，球磨120min；

(3)将球磨后的复合粉末与其质量195％的直径为1.5mm的尿素混合均匀，尿素的质量为混合物质量的40％-79％。将混合物置于冷压模具中，在450mpa下保压5min实现冷压成型(制得的复合泡沫孔隙率为80％)；

(4)冷压后的试样在80℃的温度下水浴8h除去尿素，水浴后将试样置于烘箱中烘干；

(5)烘干后的试样置于管式炉中，在240ml/min流量的氩气保护下以5℃/min的速率升温至650℃下烧结3h，烧结完成后随炉冷却至室温；

(6)将烧结后的试样表面轻微打磨后填入薄壁空心铝合金管中，得到碳纳米管增强的泡沫铝填充铝合金管复合结构。