[发明专利]一种高体积分数的碳纳米管增强金属基复合材料制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种高体积分数的碳纳米管增强金属基复合材料制备方法。该方法可以实现高体积分数的碳纳米管在金属基体中的良好分散，同时可以细化基体晶粒。

背景技术

碳纳米管具有极高的力学性能(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理想增强体。碳纳米管增强金属基复合材料具有高比强度、高比刚度，而且具有潜在的优良导电和导热性能，在航空航天、汽车制造、微电子等多个领域有着广阔的应用前景。碳纳米管与大多数金属及其合金都不浸润，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，同时，粉末冶金法制备的复合材料具有组织宏微观均匀，增强相体积分数易于精确控制的特点。然而，由于碳纳米管长径比大，管束间范德华力作用强，在金属基体中以团聚形式分布，难以发挥其完美的增强效果，分散碳纳米管己成为制备优良性能碳纳米管增强金属基复合材料必须解决的首要问题。

目前采用粉末冶金法制备碳纳米管增强金属基复合材料的分散方法之一是把金属粉末和碳纳米管进行高能球磨，利用其高能输入的特点使金属粉末反复变形、冷焊和破碎，从而达到分散碳纳米管的目的。但是该方法不可避免地引入氧化物等杂质，而且对碳纳米管本身造成损伤，不利于得到性能优良的复合材料。有报道显示，碳纳米管与铝粉在高能球磨到5小时后，拉曼光谱表明碳纳米管出现了一定的损伤[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。目前报道的方法主要是利用表面活性剂等物质[Kondoh Katsuyoshi，et al.，Characteristics of powder metallurgy pure titanium matrix composite reinforced with multi-wall carbon nanotubes，2009，69，1077-1081]或酸处理[Chunfeng Deng et al.，Preparation and characterization of carbon nanotubes/aluminum matrix composites，Materials Letters，2007，61，1725-1728]使碳纳米管在悬浮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。这种方法的缺点是前处理工序复杂、所制备复合材料的碳纳米管允许加入量较小(小于1vol.％)。当碳纳米管加入量较大时，由于所需溶剂量的增多，碳纳米管与金属的密度差异会导致分层现象，不利于粉末成型；而且在溶剂去除过程中，容易出现碳纳米管再团聚现象。