[发明专利]碳材料在铝中的包封

说明书

技术领域

本发明涉及将碳材料包封在铝中的方法。

背景技术

铝通常广泛用于日常生活，从厨房中使用的箔片到一次性餐具、窗户、车辆、飞机、航空飞船等。铝重量轻(约为铁的重量的三分之一)，并通过与其他金属形成合金而具有高强度。而且，由于铝的表面上存在的化学稳定的氧化层可抑制由水分或氧气而导致的腐蚀的发展等，因而铝是化学稳定的。

因此，铝已经用于车辆、飞机等。特别是，用于车辆的铝制车轮可提供下述两种效果，即：其比常规的铁制车轮更轻的重量减少了其自身的负荷，这将有助于减轻车体的重量，另外还改善了燃料效率。不过，这种铝的抗拉强度约为铁的40％。因此，铝用作结构材料时显著增大了结构用铝管或铝板的厚度，因而需要大量的材料，由此导致成本过高的问题。

为解决上述问题，正在积极开展关于制备具有高抗拉强度的碳材料与铝的复合材料的研究。在制备碳材料-铝复合物时，需要克服几个问题。首先，碳材料，例如碳纳米管，由于范德华力而具有较高的相互粘结力，因而很难均匀地分散在铝基质中。其次，碳材料和铝基质具有不同的表面张力。显示表面张力方面的较大差异的一个良好例子是水和油，水的表面张力是油的2～3倍。然而，近期的研究报告揭示，铝的表面张力是955mN/m，而碳材料的表面张力是45.3mN/m[基于J.M.Molina等，International Journal of adhesion Adhesives 27(2007)394-401，S.Nuriel，L.Liu，A.H.Barber，H.D.Wagner.Direct measurement of multiwall nanotubesurface tension，Chemical Physics Letters 404(2005)263-266]。也就是说，这两种材料的表面张力的差异是一种比另一种高大约20倍。该结果表明这两种材料很难相互混合。而且，由于这两种材料的密度明显不同，因而它们在熔化时也几乎不能相互混合。

为了克服碳材料的该问题，并制造碳材料-铝复合物，已经尝试了各种努力，例如气体掺混、溶液分散、电镀、球磨等等。

气体掺混是关于金属粉末和碳纳米管的气体混合的技术，关于该技术，有日本特开公报2007-16262(2007.1.25)。在气体混合中，各种金属(包括铝)粉末可用来与碳纳米管均匀混合。不过，碳纳米管由于很难渗入具有氧化层的铝颗粒中而难以制造其中碳材料均匀分散在铝基质上的铝-碳材料复合物。

在溶液分散中，通过将分散有微小铝颗粒的溶液与分散有碳纳米管的溶液混合并干燥溶剂来制备复合物，关于该技术，有中国公开专利公报CN1465729A。在溶液中进行混合时，碳纳米管可均匀分散。然而，为了通过在溶液中混合获得明显效果，需要小尺寸的铝颗粒，而使用这种小尺寸的铝颗粒可能会导致爆炸。而且，在该方法中碳纳米管很难渗入铝颗粒的氧化层中。在这点上，制备复合物时仍然存在问题。

电镀是指制备复合材料镀覆溶液、施加电势和镀覆复合材料的方法(日本特开公报2007-070689)。在该技术中，将碳纳米管和铝溶解在镀覆溶液中，以使两种材料能够到达阴极的表面，由此形成复合物。然而，在该方法中，不利之处在于不能控制铝和碳材料之间的键合力并使产率下降。

球磨是关于通过使用具有高物理力的球状物经高物理冲击而使碳纳米管与铝混合的技术，关于该技术，有日本特开公报2006-315893(2006.11.24)。在该专利中所记载的球磨法中，茧线状复杂扭曲的碳纳米管与铝颗粒一同研磨并分散混合。不过，该方法仍然存在碳纳米管不能渗入铝的氧化层而仅仅是与铝混合的缺点。

发明内容

因此，考虑到上述问题而完成了本发明，本发明提供了通过球磨机将碳材料包封在铝中的方法。在根据本发明的方法制备的被包封的碳材料中，可以维持其原有的结晶性而不会破坏结构，因此提高了强度。换言之，本发明的一个目的是提供一种在维持碳材料的结晶性的同时利用球磨机将碳材料包封在铝中的方法。

本发明的另一个目的是提供一种通过利用球磨机将碳材料包封在铝中来制备铝-碳材料复合物的方法。

本发明的又一个目的是提供根据上述方法制备的碳材料-铝复合物。

根据本发明的一个方面，提供一种将碳材料包封在铝中的方法。用在本发明中的术语“包封”表示用铝涂覆碳材料。