[发明专利]三维网络状碳纳米管增强钛基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种三维网络状碳纳米管增强钛基复合材料的制备方法，属于复合材料的制备技术。

背景技术

碳纳米管（CNTs）自1991年由日本科学家Iijima发现以来，由于具有独特的结构和优异的性能而备受研究者关注。碳纳米管中碳原子采用sp²杂化，相比sp³杂化，sp²杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。由于具有低密度（1.3g/cm³）和高杨氏模量（973GPa）碳纳米管成为制备复合材料的理想增强相。以前的研究表明CNTs增强金属基复合材料的特征，主要是一些工业金属，像铝、镁、镍、铜及其合金。CNTs作为增强相的主要问题是CNTs的分散性以及与界面的结合性。制备金属基复合材料时，碳纳米管的加入方式可分为两类：一类是外加法，即利用高速机械球磨或有机溶剂超声分散，使CNTs在基体中达到较好的分散效果。但这种方法会破坏CNTs的结构完整性，影响复合材料性能的提高；另一类是原位合成法，即采用沉积沉淀法或浸渍法在金属颗粒表面沉积催化剂盐，经一定温度煅烧、还原后形成催化剂颗粒，在一定温度下引入气体或固体碳源，原位生长CNTs。该方法制备的复合材料中，CNTs能较均匀的分散在金属粉末表面，经粉末冶金法制备的复合材料性能提高较明显。

钛及其合金由于具有高的比强度、比刚度和杨氏模量，广泛应用于汽车、航空等领域，因此也成为制备金属基复合材料的一种具有吸引力的基体，而且由于具有高的抗腐蚀性，钛及其合金在化学和石油化工等方面的应用也非常优异。以钛为基体制备的复合材料，由于其高的比强度、比刚度、高韧性和抗高温特性而成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料。钛基复合材料按增强体的不同可分为两大类：非连续颗粒增强和连续纤维增强钛基复合材料。常用的增强颗粒有TiB，TiB₂, TiC，SiC, B₄C, GrB, Ti₅Si₃等，常用的增强纤维有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。

复合材料研究中的一个重要问题是增强相与基体的界面结合问题，采用原位自生增强相的方法制备的复合材料，其性能得到了更好的改善。目前，原位合成钛基复合材料的方法有：粉末冶金法(P/M)、机械合金化(MA)、自蔓延高温合成工艺(SHS)、放热扩散法(XDTM)、快速凝固技术(RSP)以及各种各样的熔炼铸造技术。 Kondoh等用两性离子表面活性剂对CNTs进行处理，使其表面带有亲水和憎水官能团，这样CNTs可以达到较好的分散，然后滴加钛粉干燥后得到CNTs/Ti复合粉末。将复合粉末用石墨模具压制成型，分别经873K和1073K火化等离子体快速烧结后得到CNTs/Ti复合材料，最后对制得的复合材料在1273K下进行热挤压。用这种方法制备的钛基复合材料的抗拉强度和屈服应力较纯钛分别提高了157MPa和169MPs，但其延伸率却减少了34-38%。天津大学王颖等利用化学气相沉积法（CVD）在钛粉表面得到分布均匀、形貌良好的CNTs。  一般制备CNTs增强钛基复合材料的方法中，都是先制得CNTs与钛的复合粉末，然后经过粉末冶金制备钛基复合材料，其中存在的一个问题是钛与CNTs在高温（一般900℃以上）下易于发生反应，生成碳化钛颗粒，从而破坏了CNTs的良好结构，且生成的碳化钛是一种硬质相，当含量超过一定值时会降低复合材料的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维网络状碳纳米管增强钛基复合材料的制备方法。以该方法所制得的钛基复合材料中三维网络CNTs均匀分布，结构完整，其制备过程简单。 

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种三维网络状碳纳米管增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

1）制备多孔钛

将氯化钠以球磨转速为300~500转/分钟，球料比为(10~20):1，球磨时间为40~60min的参数球磨成粒径为30~60um，将球磨后的氯化钠与400目钛粉以体积比3:2用混料机混料2~3h，然后压片；将压片置于管式炉中，在氩气保护下以升温速度为10℃/min升温至790℃煅烧2小时，然后继续以10℃/min升温至1100℃煅烧2小时，随炉冷却至室温，将烧结后的压片块体置于80~100℃热循环水中8~10h去除氯化钠，得到多孔钛；

2）真空浸渍催化剂