[发明专利]一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法。

背景技术

碳纳米管具有超高的力学性能(抗拉强度＞30GPa，弹性模量＞1GPa)，良好的热性能和电学性能，被认为是复合材料的完美增强体。然而，由于其长径比大，管束间范德华力强，很难进行分散，因此在金属基体中通常以团聚形式存在，难以充分发挥其增强作用。碳纳米管与大多数的金属材料都不浸润，限制了常规的液相法来制备碳纳米管增强金属基复合材料。而粉末冶金法则对碳纳米管与金属基体的浸润性不敏感，更适用于制备碳纳米管增强金属基复合材料。目前主要的分散方法之一是高能球磨法，利用金属粉末的反复变形、冷焊和破碎达到分散碳纳米管的目的。但是该方法不可避免会引入氧化物等杂质，而且对碳纳米管造成损伤，不利于复合材料性能提高(Dominique Poirier，et al，Structural characterization of a mechanically milled carbon nanotube/aluminum mixture，Composites：Part A，2009，40，1482-1489)。另一种方法是对碳纳米管进行预分散处理，主要是利用表面活性剂或溶剂等物质使碳纳米管在悬浊液状态下呈均匀的分布，随后与金属粉末进行混合得到复合材料粉末。已报道表面活性剂效果较好的是十二烷基苯磺酸钠和N，N-二甲基-N-(3-磺丙基)-1-十八烷铵内盐(Kondoh Katsuyoshi，et al.，Characteristics of powder metallurgy pure titanium matrix composite reinforced with multi-wall carbon nanotubes，2009，69，1077-1081)。十二烷基苯磺酸盐含有苯环，与碳纳米管亲和力强，其亲水—憎水作用及电荷排斥作用可以有效将碳纳米管团聚打开。但十二烷基苯磺酸盐难以去除，而且很容易在漂洗过程中从碳纳米管表面脱离，导致碳纳米管重新团聚。N，N-二甲基-N-(3-磺丙基)-1-十八烷铵内盐属于两性离子表面活性剂，在水溶液中具有亲水-憎水特性，另外还具有独特的阴阳偶极子对相互作用，可以非常有效地分散碳纳米管，但是其价格十分昂贵，不适于大规模推广。利用溶剂分散碳纳米管方法中，主要利用天然橡胶来分散碳纳米管。研究者将碳纳米管、金属粉末、天然橡胶按照一定的比例混合，随后在炼胶机上开炼，利用炼胶时产生的大剪切力使碳纳米管团聚分散开来，得到分散良好的碳纳米管增强复合材料(Junichi Yuuki et al.，Fabrication of carbon nanotube reinforced aluminum composite by powder extrusion process，Materials Science Forum，2007，534-536，889-892)。该技术的局限在于需要配备昂贵的炼胶设备和长时间的炼胶过程，而且仅能制备出板状的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，该方法可以实现碳纳米管在金属基体中的良好分散，制备的复合材料中碳纳米管无损伤，长径比较大，因而表现出优良的力学性能，在航空航天和汽车制造等要求轻质高强的领域有广阔的应用前景。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)碳纳米管在十二烷基苯磺酸铵水溶液中预分散；(2)预分散的碳纳米管抽滤干燥后在天然橡胶的汽油溶液中稳定化处理；(3)稳定化处理的碳纳米管与金属粉末采用粉末冶金成型。

碳纳米管在十二烷基苯磺酸铵水溶液中预分散的工艺过程为：将碳纳米管加入到十二烷基苯磺酸铵水溶液中进行超声波分散；其中，十二烷基苯磺酸铵水溶液浓度5～20mg/ml，碳纳米管加入量为1～10mg/ml，超声波频率为25-50KHz，作用时间为2～12小时。

预分散的碳纳米管抽滤干燥后在天然橡胶的汽油溶液中稳定化处理的工艺过程为：对十二烷基苯磺酸铵水溶液中预分散的碳纳米管进行抽滤，抽滤后的碳纳米管放入真空干燥箱中干燥，随后放入到天然橡胶的汽油溶液中进行超声波分散，即得到稳定化处理的碳纳米管悬浊液；其中，天然橡胶的汽油溶液中橡胶与汽油的体积比为1∶2～2∶1，每毫升天然橡胶的汽油溶液中碳纳米管的含量大于0且小于等于5mg，超声波频率25-50KHz，作用时间2～12小时。