[发明专利]碳纳米管增强Al-Cu合金基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种碳纳米管增强Al-Cu合金基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料的制备技术。

背景技术

自碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）于1991年被日本学者Iijima发现以来，因其纳米尺度，以及高的比强度、比刚度、低密度等特性，被广泛用于复合材料的增强相。但目前，关于碳纳米管增强金属基复合材料的报道较少，其原因一是该材料制备流程相对复杂，二是碳纳米管在基体中的分散性，碳纳米管和基体间的界面结合，以及碳纳米管的化学稳定性等方面难以保证。

目前，已有专利报道利用无压渗透法（专利“CN1242080C”）和挤压铸造法等方法（专利“CN10174849B”）制备碳纳米管增强铝基复合材料。相比之下，粉末冶金法具有组织成分均匀，增强相含量可控，成型方法多样等优势，是常用的复合材料的制备方法。其中球磨作为粉末冶金的重要步骤，在很多制备碳纳米管增强铝基复合材料的专利中都有涉及（比如专利“CN1834280A”“CN101613079A”，“CN103789564A”）。为实现碳纳米管在铝基体上的均匀分散，一般需要较长时间的球磨，但该过程会在一定程度上破坏碳纳米管的稳定性，从而影响碳纳米管的增强效果。

原位生长法作为一种新的方法，可以克服长时间球磨对碳纳米管结构的损害，在保持碳纳米管结构的基础上，提升碳纳米管在铝基体上的分散性。专利“CN102424919A”将原位生长与短时间球磨相结合，制备出力学性能优良的碳纳米管增强铝基复合材料。但是，该方法尚未应用到以铝合金作为基体的复合材料中。

相对纯铝基体，铝合金具有更优良的力学性能。尤其是Al-Cu合金，作为一种可热处理合金，具有密度低、强度高、延伸率高和耐腐蚀性能好等诸多优点，广泛应用于汽车、建筑及航空航天等诸多领域。通过引入碳纳米管增强相，Al-Cu合金的强度会有进一步提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管增强Al-Cu合金基复合材料的制备方法。该方法能够有效克服碳纳米管增强铝基复合材料碳纳米管分散性不均匀的问题，同时发挥Al-Cu合金可热处理的性质，实现复合材料性能的进一步提升。该方法过程简单，所制得复合材料力学性能优良。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种碳纳米管增强Al-Cu基复合材料的制备方法，其特征包括以下过程： 

（1）化学气相沉积法制备碳纳米管和铝的复合粉末：

将四水合乙酸钴与铝粉以按质量比（0.004~0.04）：1加入无水乙醇中，其中无水乙醇的质量用量约为铝粉质量3~50倍，然后在温度30~80°C下持续搅拌，直至无水乙醇完全挥发掉；得到的粉末在室温干燥后，将粉末放置于管式炉恒温区，在氩气或氮气保护下200~500°C下煅烧1~5小时，以流速50~600ml/min在温度250~500°C通入氢气在升温速率10°C/分钟升温至还原1~5小时得到钴/铝催化剂粉末；以升温速率10°C/分钟升高温度至400~700°C向钴/铝催化剂粉末通入碳源气体与载气的混合气进行0.1~5小时的催化裂解反应，其中碳源气体为乙炔，载气为氩气或氮气，碳源气与载气的体积比为1：（1~20），催化裂解反应后在氩气或氮气的保护下冷却至室温，得到碳纳米管和铝的复合粉末；

（2）机械球磨碳纳米管和铝的复合粉末

将步骤（1）制得的复合粉末与钢球按质量比1：（5~20）一起加入球磨罐中，抽真空后充满氩气以转速200~600转/分进行球磨0.5~5小时，得到均匀分散的碳纳米管和铝的复合粉末；

（3）浸渍—还原法制备碳纳米管和Al-Cu的复合粉末

将一水合硝酸铜与步骤（2）制得的碳纳米管和铝的复合粉末以质量比（0.03~0.3）：1加入无水乙醇中，其中无水乙醇的质量用量为复合粉末质量3~50倍，然后在温度30~80°C下持续搅拌，直至无水乙醇完全挥发掉；得到的粉末在室温干燥后，将干燥的粉末放置于管式炉恒温区，在氩气或氮气保护下在升温速率10°C/分钟升温至200~500°C下煅烧1~5小时，并以流速50~600ml/min通入氢气还原1~5小时得到在碳纳米管和铝复合粉末上均匀沉积粒径为10~100纳米的铜颗粒，得到碳纳米管和Al-Cu的复合粉末；

（4）机械球磨碳纳米管和Al-Cu的复合粉末