[发明专利]一种碳纳米管包覆金属颗粒的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种碳纳米管包覆金属颗粒的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术

碳纳米管(CNTs)自从被发现以来，以其独特的力学、热学、磁学和电学性能在电极材料、纳米电子材料、结构材料等诸多领域表现出良好的应用前景。碳纳米管的的杨氏模量和剪切模量都与金刚石相当，其轴向杨氏模量接近2TPa、抗拉强度高达100GPa，为钢的100倍，是高强度碳纤维的20多倍，密度仅为1.35g/cm³左右，为钢的1/6、铝的1/2、镁的3/4，同时，碳纳米管具有良好的导电、导热性能、优良的自润滑性和生物相容性。因此，碳纳米管被认为是陶瓷、聚合物、金属等基体材料的理想强化相。

以碳纳米管作为增强相制备金属(铝、镁、铜等)基复合材料是当前的研究热点和发展方向之一。但是由于碳纳米管具有尺寸小、长径比大、比表面积大、表面能高等特点，使得碳纳米管之间由于范德华力等作用，自身的团聚和缠绕现象严重。因此，能否解决碳纳米管的自身分散及其在复合材料基体中的分散问题，将成为最终决定复合材料性能的关键因素，也成为碳纳米管增强复合材料制备工艺中的关键一环。

目前，在碳纳米管自身分散及其在金属基体内分散方面的方法有对碳纳米管进行研磨和搅拌、高能球磨、强酸/强碱溶液处理、溶液中超声分散或添加表面活性剂、碳纳米管表面沉积金属、预制块挤压铸造等多种工艺方法。如“一种挤压铸造法制备碳纳米管增强铝合金复合材料的方法”(授权公告号CN101748349B)的发明，采用溶液中超声分散、制备预制块、挤压铸造的工艺制备了碳纳米管增强铝基复合材料。在“一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法”(授权公告号CN102747240B)的发明中，采用碳米管表面镀镍、球磨-冷压-烧结、热挤压的工艺制备了碳纳米管增强铝、镁基复合材料。

综上，现有的工艺对碳纳米管的分散和碳纳米管增强金属及复合材料的制备方面展开了广泛和有效的研究，但也存在如引入强酸强碱不利于环境友好、工艺流程长或复杂、不利于工业化生产等不足。因此，如何通过简捷的工艺分散碳纳米管并制备碳纳米管增强金属基复合材料、缩短工艺流程、以利于工业化生产和环境友好是当前制备碳纳米管金属基复合材料的研究方向。

发明内容

本发明的技术目的是针对当前碳纳米管分散及碳纳米管增强复合材料制备工艺中的不足，提供一种碳纳米管包覆金属颗粒的制备方法。该方法通过一系列工艺流程使碳纳米管均匀包覆在金属颗粒表面，获得碳纳米管增强金属基复合材料的前驱体或原材料。该方法具有工艺流程短、耗时少、污染小环境友好等优点，在航空航天、汽车、3C等对碳纳米管增强金属基复合材料有需求的领域有广阔的应用前景。

本发明一种碳纳米管包覆金属颗粒的制备方法，是通过以下技术方案实现，其步骤别为：(1)碳纳米管的预分散处理；(2)碳纳米管分散液与金属颗粒的混合；(3)碳纳米管与金属颗粒混合物的干燥。具体如下：

(1)碳纳米管的与分散处理

将一定质量碳纳米管置于无水乙醇中，无水乙醇与碳纳米管的质量比为(10～1000):1，在容器中进行机械搅拌，然后将盛有上述溶液的容器置于水浴中超声处理，制得均匀稳定分散的碳纳米管分散液；

优选机械搅拌5～20分钟，机械搅拌转速为500～1500rpm；水浴中超声处理10～60分钟，超声处理功率为200～2000W，超声处理频率为20～40kHz；

(2)碳纳米管分散液与金属颗粒的混合

将一定质量的粒径为50～200目的金属颗粒加入到步骤(1)中得到的碳纳米管分散液中，金属颗粒与碳纳米管的质量比为(5～1000)：1，使金属颗粒在溶液中完全浸没后，置于水浴中超声处理，得到金属颗粒与碳纳米管的混合溶液；

一般超声处理10～60分钟，超声功率为200～2000W，超声频率为20～40kHz；

上述金属颗粒优选纯镁、镁合金、纯铝、铝合金、纯铜或铜合金中的一种。

(3)碳纳米管与金属颗粒混合物的干燥

将步骤(2)中得到的金属颗粒与碳纳米管混合溶液在容器中减压蒸馏去除乙醇，优选条件：减压蒸馏温度为80℃，压力为-0.1MPa，时间为10～30分钟；将减压蒸馏后的混合物均匀摊铺在陶瓷或玻璃容器内，置于炉中加热并通入氩气和氢气的混合气体(氢气体积百分含量为0～20％)，温度为300～500℃，保温时间为0.5～5小时，随炉冷却至室温后，即得到碳纳米管包覆金属颗粒。