[发明专利]包含金属和纳米粒子的复合材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含金属和纳米粒子，特别是碳纳米管(CNT)的复合材料及其制造方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)，有时也称作“碳原纤”或“中空碳原纤”，通常是直径3至100纳米且长度为其直径的数倍的圆柱形碳管。CNT可以由一个或多个碳原子层构成并以具有不同形态的芯为特征。

CNT很早已从文献中获知。尽管Iijima(s.Iijima，Nature 354，56-58，1991)通常被认为最早发现CNT，但实际上，具有数个石墨层的纤维形石墨材料自七十和八十年代已为人所知。例如，在GB 14 699 30 A1和EP 56 004 A2中，Tates和Baker首次描述由烃的催化分解沉积极细纤维碳。但是，在这些公开文献中，基于短链碳水化合物制成的碳丝没有进一步在其直径方面表征。

碳纳米管的最常见结构是圆柱形，其中CNT可以由单石墨烯层(单壁碳纳米管)或多个同心石墨烯层(多壁碳纳米管)构成。制造此类圆柱形CNT的标准方式基于电弧放电、激光消融、CVD和催化CVD法。在Iijima的上述文章(Nature 354，56-58，1991)中，描述了使用电弧放电法形成同心无缝圆柱体形式的具有两个或更多个石墨烯层的CNT。根据所谓的“卷绕向量(roll up vector)”，相对于CNT纵轴的碳原子的手性和反手性排列是可能的。

在Bacon等人的文章，J.Appl.Phys.34，1960，283-290中，首次描述了由单连续卷绕石墨烯层构成的CNT的不同结构，其通常被称作“卷轴(scroll)型”。由不连续石墨烯层构成的类似结构以“洋葱型”CNT为名为人所知。Zhou等人，Science，263，1994，1744-1747和Lavin等人，Carbon 40，2002，1123-1130后来也发现了此类结构。

如公知的那样，CNT在电导率、热导率和强度方面具有确实显著的特性。例如，CNT具有超过金刚石的硬度和是钢十倍大的拉伸强度。因此，已继续努力使用CNT作为复合物或复合材料，如陶瓷、聚合物材料或金属中的成分，以试图将这些有利特性中的一些转移给复合材料。

从US 2007/0134496 A1中获知制造CNT分散的复合材料的方法，其中通过球磨机捏合和分散陶瓷和金属和长链碳纳米管的混合粉末，并使用放电等离子体烧结该分散的材料。如果使用铝作为金属，优选粒度为50至150微米。

在JP 2007 154 246 A中描述了在机械合金化法中混合和捏合碳纳米材料和金属粉末以制造复合CNT金属粉末的类似方法。

在WO 2006/123 859 A1中描述了获得金属-CNT-复合材料的另一相关方法。在此，在球磨机中以300rpm或更大的研磨速度混合金属粉末和CNT。这种现有技术的主要目的之一是确保CNT的方向性以增强机械和电性质。根据这一专利文献，通过在纳米原纤均匀分散在金属中的情况下对该复合材料施加机械质流工艺，赋予该纳米原纤方向性，其中质流工艺可以是例如复合材料的挤出、轧制或注射。

本发明人的WO 2008/052 642和WO 2009/010 297公开了制造含有CNT和金属的复合材料的另一方法。在此，通过使用球磨机的机械合金化制造该复合材料，其中将球加速至高达11米/秒或甚至14米/秒的极高速度。所得复合材料以交替的金属和CNT层的层状结构为特征，其中各个金属材料层可以为20至200,000纳米厚，各个CNT层可以为20至50,000纳米厚。该现有技术的层结构显示在图11a中。

如这些专利文献中进一步显示，通过在纯铝基质中引入6.0重量％CNT，与纯铝相比可显著提高拉伸强度、硬度和弹性模量。但是，由于该层结构，机械性质不是各向同性的。

为了提供CNT的均匀和各向同性分布，在JP 2009 03 00 90中，提出形成CNT金属复合材料的另一方式。根据该文献，将平均初级粒度为0.1微米至100微米的金属粉末浸在含CNT的溶液中并通过亲水化使CNT附着到金属粒子上，由此在金属粉末粒子上形成网形涂膜。该CNT涂布的金属粉末可随后在烧结法中进一步加工。也可通过在基底表面上堆叠涂布的金属复合材料来形成堆叠的金属复合材料。所得复合材料据报道具有优异的机械强度、电导率和热导率。

从现有技术的上述论述中显而易见，在金属中分散CNT的同一一般理念可以以许多不同方式付诸实践，所得复合材料可具有不同的机械、电和热导率性质。