[发明专利]一种激光-感应复合熔覆碳纳米管增强富铁多孔复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料制备技术领域，涉及一种激光－感应复合熔覆碳纳米管增强富铁多孔复合材料的方法。 

背景技术

多孔金属由金属骨架及孔隙组成，具有金属材料的导电性、塑性与韧性以及可焊性等基本的金属特性。相对于致密的金属材料而言，多孔金属的由于内部大量的孔隙，使多孔金属具有优异的特征，如比重小、比表面大、能量吸收性好、导热率低以及良好的渗透性、电磁波吸收性等。因此，多孔金属材料被广泛应用于航空航天、石油化工、冶金机械、医药与建筑等行业的分离、过滤、催化、消音、吸震、屏蔽与热交换等工艺过程中，是制备过滤器、电磁屏蔽器件、电磁兼容器件、热交换器、阻燃器与填充材料的关键材料。一般而言，脱合金法是制备多孔金属材料最有效的方法，即通过化学腐蚀或电化学腐蚀的方法，对合金材料进行腐蚀处理，使合金中电化学性质活泼的金属元素被选择溶解，惰性原子保留下来，经扩散生长成以惰性金属为骨架的三维双连续纳米多孔结构。但是，金属材料经过脱合金法处理后，强度大幅度降低，极大地限制了多孔材料在工业领域中的广泛应用。 

Cu-Fe合金是一种典型的偏晶合金，又称难混溶合金。尤其是当采用快速凝固技术制备Cu-Fe合金的过冷度大于液相分离过冷度时，Cu-Fe合金能够在结晶之间发生Spinodal分解反应，质量百分含量小于50%的铁在快速凝固过程中能够原位析出，且粒径细小、呈球状、弥散分布于铜基体中，从而形成原位富铁颗粒强化的铜基复合材料，该材料具有许多独特的物理、化学与机械性能，如高强与高导以及高耐磨性能、软磁性能等，在电接触滑块、电子封装以及铜结晶器等领域具有广泛的应用前景，近年来受到人们的广泛关注。 

碳纳米管具有高强度、高导热、高弹性模量、高形状比等综合性能，是一种十分优异的强化相材料，可以明显地增强金属材料的机械性能。如果能够制备碳纳米管增强的Cu-Fe基复合材料，结合脱合金法使碳纳米管增强的Cu-Fe基复合材料内形成具有纳米多孔的三维结构，对于提高多孔材料的强度，进一步开发与拓展多孔材料的使用范围与应用领域，具有十分重要的意义。激光－感应复合熔覆是近年来发展起来了一种新型、高效的表面强化技术，具有快速加热与快速凝固、降低温度梯度、抑制裂纹等优点，在制备高性能的合金、复合材料等方面具有其他常规技术如粉末冶金、热压烧结等无法比拟的优势。然而，纵观国内外关于多孔金属材料的研究进展，采用激光－感应复合熔覆的方法，结合铜与铁电化学腐蚀性能的差异，制备碳纳米管增强的富铁多孔复合材料的研究还未见文献报道。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光－感应复合熔覆碳纳米管增强富铁多孔复合材料的方法，本发明利用具有快速加热、快速凝固、柔性制造、易实现自动化等特点的激光－感应复合熔覆热源，将自动送粉器的粉末喷嘴喷射出的含有分布均匀的碳纳米管的Cu-Fe基复合粉末在基材表面快速熔化，调节激光与感应复合熔覆的工艺参数，控制激光－感应复合熔覆过程中的温度梯度以及熔体的Marangoni与Stokes运动，达到调控原位析出的富Fe颗粒的大小以及在富Cu基内的均匀分布，然后在HNO₃进行选择性电化学腐蚀，形成碳纳米管增强富铁纳米多孔三维复合材料。 

本发明是这样来实现的，其特征在于方法步骤为： 

（1）将Cu合金粉末、Fe合金粉末与碳纳米管粉末按质量比3：2：0.13混合，然后加入到丙烯酸树脂中，经机械搅拌配制成浆料；

（2）将配制好的浆料放入行星式球磨机内混合均匀后，放置于干燥箱内在150~180℃温度下烘干，经机械研磨成粒度均匀、流动性好、碳纳米管分布均匀的Cu-Fe基复合粉末，并放置于旁轴自动送粉器的装料斗内；

（3）采用激光－感应复合熔覆的方法在基材表面制备碳纳米管增强的Cu-Fe基复合材料，其显微结构为：粒径为2~5μm的球状富Fe颗粒均匀镶嵌于富Cu基体内，粒径为2~5nm的富Cu晶粒均匀分布于球状富Fe颗粒内部，采用的工艺参数：基材为碳钢或不锈钢，CO₂激光器的功率为3~5kW，扫描速度为3~3.5m/min，光斑直径为5mm，高频感应加热器的功率为50~60kW，送粉率为95~110g/min，喷射角为53°，搭接率为45~60%；

（4）采用线切割法将基材去除，将获得的碳纳米管增强的Cu-Fe基复合材料浸入pH=1、浓度为0.15~0.2 M 的HNO₃ 溶液中进行选择性电化学腐蚀处理，使用的电压为13~15V，时间为8~20min，获得孔径为2~5 nm的富铁多孔复合材料。