一种镀镍碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种利用冷压-烧结的成型方式来提升铝基复合材料力学性能的制备方法，属于粉末冶金领域。

背景技术：

近年来，随着航空、航天、汽车制造以及军工等现代工业的发展，金属基复合材料由于其优异的性能迎来了广泛的应用前景。其中，铝基复合材料更是被重点发展和研究，这是因为铝基复合材料具有诸多其他材料所不具备的性质，例如，耐腐蚀性好、密度低、具有可加工性以及耐高温性等。但随着现代工业的高速发展，对铝基复合材料的各方面性能也提出了更高的要求。因此，制备铝基复合材料时所使用的如晶须、陶瓷颗粒和纤维等传统增强相已经不能满足目前的需求。因此，如何提高铝基复合材料的综合性能成为近些年研究的热点。

碳纳米管自1991年被发现以来，就受到了科学研究者的青睐。这是由于碳纳米管具有较小的密度、超高的化学稳定性并同时具有非常高的力学性质。因此，碳纳米管被认为是制备铝基复合材料的理想增强相。目前，制备铝基复合材料主要方法有：粉末冶金法、熔融铸造法、压力渗透法和搅拌摩擦焊等。其中，粉末冶金由于操作简单并且烧结温度低等优点被广泛应用于制备碳纳米管增强铝基复合材料。但是，目前通过粉末冶金制备碳纳米管增强铝基复合材料仍然存在两个挑战：一是由于碳纳米管之间的范德瓦耳斯力使得碳纳米管在铝基体中形成团聚；二是碳纳米管与铝基体的不润湿问题。因此，解决碳纳米管在铝基体中的分散性问题和改善碳纳米管与铝之间的界面润湿性并建立稳定的碳-铝界面具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种新型镀镍碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，主要是通过在碳纳米管表面负载镍纳米粒从而改善碳纳米管和铝基体间的不润湿现象，最终实现铝基复合材料力学性能的显著提升。为实现上述目的，本发明通过以下技术方案加以实现。

一种镀镍碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，步骤如下：

(1)碳管表面粗化：将碳纳米管加入到naoh溶液中，进行表面粗化；

(2)碳纳米管表面敏化：将表面粗化后的碳纳米管加入到sncl2和hcl的混合溶液中进行处理，完成处理之后将碳纳米管用去离子水进行水洗。

(3)碳纳米管表面活化：表面敏化处理后的碳纳米换管加入到pbcl2和hcl的混合溶液中进行表面活化；

(4)碳纳管表面镀ni:将表面进过粗化、敏化和活化后的碳纳米管在ni的硝酸盐溶液中进行化学镀ni；

(5)镀镍碳纳米管增强的复合材料的成型：将步骤(1)-(4)制得的镀镍碳纳米管粉末与铝粉按质量比1:100～300的比例置于不锈钢球磨罐中，其中球料比为1:10，并以氩气作为保护气体，将混合粉末进行球磨；将混合后的复合粉末先进行500-600mpa的冷压成型，之后在氩气环境中，温度为600-630℃的条件下进行1h的烧结，再将得到的块体材料在500～600℃条件下进行热挤压，之后得到镀镍碳纳米管增强的复合材料。

(2)中，sncl2和hcl的混合溶液，sncl2的浓度为8-12g/l，hcl的浓度为35-45ml/l。

(3)中，pbcl2和hcl的混合溶液，pbcl2的浓度为0.8-1.2g/l，hcl的浓度为25-35ml/l。

本发明首先采用化学方法在碳纳米管表面进行镀镍，使得碳纳米管表面负载均匀的纳米镍颗粒；其次，通过变速球磨对镀镍碳纳米管和铝粉进行混合，这样既能保持碳纳米管的质量又能有效解决碳纳米管的分散性问题；最后通过冷压烧结-热挤压的方法制备块体复合材料。通过镍的引入，既可以解决碳纳米管和铝之间的不润湿问题，同时又可以避免碳纳米管与铝基体之间发生过度的界面反应，实现了铝基复合材料力学性能的显著提升。

附图说明

图1为实施例1和2制得的镀镍碳纳米管的sem图。图中显示出碳管表面分布着许多尺寸为几十纳米的镍颗粒。

图2(a)为实施例1和2制得的镀镍碳纳米管的tem图。从该图中可以更明显的观察到负载的镍颗粒。

图2(b)为实施例1和2制得的镀镍碳纳米管的tem图。从该图中可以看出碳纳米管除了负载镍颗粒外，碳纳米管依然保持的良好的结构。

图2(c)、(d)、(e)为实施例1和2制得的镀镍碳纳米管透射下的能谱分析结果。从该图中可以看出在碳纳米管上镍元素均匀分布，并没有出现团聚现象，同时，碳纳米管上存在部分氧元素。

图3为本发明实施例1，2制得的复合材料和对比例1制得的纯铝的应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实例说明本发明，但并不限制本发明。

实施例1

(1)将1g碳纳米管加入到浓度为200g/l的naoh溶液中，在80℃的条件下表面粗化20min；

(2)将表面粗化后的碳纳米管加入到sncl2(10g/l)和hcl(40ml/l)的混合溶液中，并在30℃的条件下处理3min，完成处理之后将碳纳米管用去离子水进行水洗；

(3)表面敏化处理后的碳纳米换管加入到pbcl2(1g/l)和hcl(30ml/l)的混合溶液中进行表面活化；

(4)将表面经过粗化、敏化和活化后的碳纳米管在ni的硝酸盐溶液中进行化学镀ni，其电解液由niso4·6h2o(20g/l)、cuso4·5h2o(1.2g/l)、c6h8o7(15g/l)、h3bo3(40g/l)和nah2po2(40g/l)组成，在70℃的条件下对碳纳米管表面进行化学镀ni1h.

(5)将步骤(1)-(4)制得的镀镍碳纳米管粉末按质量分数1％与粒径为20-30μm的15g铝粉置于250ml的不锈钢球磨罐中，其中球料比为1:10，并以氩气作为保护气体。将混合粉末分别进行200转6h和400转2h的变速球磨，目的是在保证碳纳米管的质量的前提下将增强相和铝粉进行充分混合。将混合后的复合粉末先在600mpa的压力下冷压3min，之后温度为630℃的氩气环境中进行1h的烧结，再将得到的块体材料在550℃条件下进行热挤压，之后得到镀镍碳纳米管增强的棒状复合材料。

(6)用制得的棒状复合材料制备拉伸试样，进行拉伸性能测试。

本实例所制备的ni-cnts增强铝基复合材料在冷压烧结-热挤压状态下的拉伸强度为214.9mpa，延伸率为27.7％，结果如图3中实施例1曲线所示。

实施例2

(1)将1g碳纳米管加入到浓度为200g/l的naoh溶液中，在80℃的条件下表面粗化20min；

(2)将表面粗化后的碳纳米管加入到sncl2(10g/l)和hcl(40ml/l)的混合溶液中，并在30℃的条件下处理3min，完成处理之后将碳纳米管用去离子水进行水洗；

(3)表面敏化处理后的碳纳米换管加入到pbcl2(1g/l)和hcl(30ml/l)的混合溶液中进行表面活化；

(4)将表面进过粗化、敏化和活化后的碳纳米管在ni的硝酸盐溶液中进行化学镀ni，其电解液由niso4·6h2o(20g/l)、cuso4·5h2o(1.2g/l)、c6h8o7(15g/l)、h3bo3(40g/l)和nah2po2(40g/l)组成，在70℃的条件下对碳纳米管表面进行化学镀ni1h.

(5)将步骤(1)-(4)制得的镀镍碳纳米管粉末按质量分数2％与粒径为20-30μm的15g铝粉置于250ml的不锈钢球磨罐中，其中球料比为1:10，并以氩气作为保护气体。将混合粉末分别进行200转6h和400转2h的变速球磨，目的是在保证碳纳米管的质量的前提下将增强相和铝粉进行充分混合。将混合后的复合粉末先在600mpa的压力下冷压3min，之后在氩气环境中，温度为630℃的条件下进行1h的烧结，再将得到的块体材料在550℃条件下进行热挤压，之后得到镀镍碳纳米管增强的棒状复合材料。

(6)用制得的棒状复合材料制备拉伸试样，进行拉伸性能测试。

本实例所制备的ni-cnts增强铝基复合材料在冷压烧结-热挤压状态下的拉伸强度为275.3mpa，延伸率为20.1％，结果如图3中实施例2曲线所示。

对比例1

(1)将粒径为20-30μm的15g铝粉置于250ml的不锈钢球磨罐中，其中球料比为1:10，并以氩气作为保护气体。将混合粉末分别进行200转6h和400转2h的变速球磨。将球磨后的粉末先在600mpa的压力下冷压3min，之后在氩气环境中，温度为630℃的条件下进行1h的烧结，再将得到的块体材料在550℃条件下进行热挤压，之后得到纯铝的棒状材料。

(6)用制得的棒状材料制备拉伸试样，进行拉伸性能测试。

本实例所制备的纯铝在冷压烧结-热挤压状态下的拉伸强度为126.9mpa，延伸率为22.3％，结果如图3中对比例1曲线所示。