[发明专利]合成用于结构和导体应用的铝碳纳米管材料的方法

说明书

本发明涉及合成用于结构和导体应用的铝碳纳米管材料的方法。具体而言，本发明涉及一种原位形成铝碳纳米管复合材料的方法和利用这种复合物产生的感应电动机部件。所述方法包括通过将催化剂前体与铝粉混合，使得形成胶体化合物，随后烧结所述胶体化合物以留下形成在铝粉的表面上的催化活性材料，来形成铝基基体。含碳气体被引入到包括铝和催化金属的复合催化剂，使得在催化活性金属的帮助下在铝基基体上生长碳纳米管增强体。附加的机械处理步骤还可包括增压、烧结和冷轧铝碳纳米管复合材料。

技术领域

本发明涉及Al-CNT复合物的制造，具体而言，涉及一种原位合成用于结构和导体应用的Al-CNT材料的新技术。

背景技术

碳纳米管（CNT）于1991年被首次发现，现在公知其拥有极高的强度、弹性模量、电导率和热导率，同时具有低重量结构。它们被成形为具有蜂窝状纳米结构单层石墨壁（即，厚度不超过一个原子）的细长中空圆柱体。尽管具有这些优点，但尚不能基于CNT研制出金属基复合材料，这至少部分是由于难以用与基于聚合物和基于陶瓷的CNT复合材料类似的方式分散CNT。对于聚合物和陶瓷基复合材料，一些报告已经证明具有高粘合力的聚结（agglomerate）的CNT可被打碎并利用它们的动电势均匀地混合到基体中；据此，所得复合材料可显示期望的结构特性。然而，这些方法对在金属中分散CNT无效，因为金属颗粒的ζ电势的可靠性低并且金属和CNT之间的密度差大。已经提出机械混合和热挤压作为克服这些问题的一种方法；但是，相对于纯铝（下文论述），未显著改进所得的Al-CNT复合材料的机械特性（在添加5%体积的CNT的情况下，最终的拉伸强度为84 MPa）。另一种方法试图通过利用管状摆动混合器和行星磨机的高效混合来混合CNT和铝粉；这种方法的困难在于不能充分地分散CNT，导致电性能受损。

一种电感应电动机包括被缠绕有线圈的静止场（定子）包围的旋转电枢（转子）。当电流穿过定子绕组时，周围缠绕有绕组的被称为磁极的定子部分（其可由可导磁材料制成，例如铁）被磁激励，这继而给予转子电磁力，致使其旋转。在目的应用中，附接到转子上的轴可用于通过转动一个或多个联动轮为车辆提供推进力。这种电动机在完全依靠电力或部分依靠混合动力系统（其中，电动机和内燃机（例如常规的汽油或柴油机）彼此协作以产生期望的原动力）的车辆中尤其有用。

“鼠笼式”电动机是电感应电动机的常见例子，并且因其笼状圆柱形状而得名，其中，许多金属转子条或棒沿纵向延伸并围绕中心旋转轴线的圆柱形外周分隔开。利用金属端环将所述条相对于彼此成固定关系地夹持起来，从而使得相邻条和连接的端环形成具有许多线圈状电连续回路的笼状结构。由于转子靠近定子，定子所产生的磁场的变化在条和端环所形成的高度导电回路中感生电流。此电流将转子转化为试图将其自身与定子产生的磁场对齐的电磁体。为了增加转子的磁场强度，一系列层压板（通常由磁阻比空气低（即，更易导磁）的材料制成，例如铁）被安装到轴或相关心轴上，从而使得它们占据轴和由条和端环形成的笼之间的基本整个空间。此外，可利用低电导率材料（例如，涂层）最小化它们之间的电接触。板的层压叠层（laminated stack）与流过笼回路的电流的协作有助于增强转子回路产生的磁场，并致使在附接轴中产生更高水平的扭矩。为了保持产生的扭矩处于相对恒定的水平，组成笼的条可偏斜，以限定略微螺旋形的图案，而非弯曲沿纵向的图案。

在一种形式中，条（在本文中也被称为导体条）由高度导电材料制成，例如纯铝。尽管这种材料具有优异的导电性，但其机械性能（如上文暗示的）趋于受限，因此使其不能满足耐用性要求，尤其是在与汽车应用相关的严苛环境中。条固有的高纵横比和伴随的在铸造和其它常规制造技术中对缺陷的敏感性加剧了此问题。虽然可向铝中添加合金元素以提高其强度或相关的机械属性，但电性能趋于通过较低的传导率而受损。