[发明专利]一种原位合成碳纳米管增强铝基复合材料

说明书

为了改善粉末合金的硬度、耐磨性，设计了一种原位合成碳纳米管增强铝基复合材料。采用铝粉和CO（NO3）2·6H2O为原料，所制得的原位合成碳纳米管增强铝基复合材料，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。其中，不添加PCA得到的CNTS/Al复合材料的抗拉强度和伸长率均为最高，展现了优异的拉伸性能，随球磨时间的增加，CNTS/Al复合材料的硬度和抗拉强度均不断增加，伸长率先增后减。复合材料硬度和强度的显著提升部分原因是铝基体加工硬化，均匀分散在基体内的CNTS有效承担了载荷，充分发挥了强化作用。本发明能够为制备高性能的铝基复合材料提供一种新的生产工艺。

所属技术领域

本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种原位合成碳纳米管增强铝基复合材料。

背景技术

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。碳纳米管的熔点是已知材料中最高的。

发明内容

本发明的目的是为了改善粉末合金的硬度、耐磨性，设计了一种原位合成碳纳米管增强铝基复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

原位合成碳纳米管增强铝基复合材料的制备原料包括：纯度≥99.0%，200目的铝粉和纯度≥98.0%的CO（NO3）2·6H2O。

原位合成碳纳米管增强铝基复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入硬质合金球磨罐中进行湿磨，将制得的粒料进行真空干燥，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，压制压力为130MPa。将制好的压坯放入脱蜡-低压烧结一体炉中进行烧结，烧结温度为1200℃。

原位合成碳纳米管增强铝基复合材料的检测步骤为：显微形貌采用S480型扫描电镜观察，金相组织采用Axi1型金相显微镜观察，硬度测试采用MH6型显微维氏硬度计，拉伸实验采用INS598型电子万能试验机。

所述的原位合成碳纳米管增强铝基复合材料，相比硬脂酸和乙醇，球磨过程中不添加PCA得到的CNTS/Al复合材料的抗拉强度和伸长率均为最高，展现了优异的拉伸性能，因此确定球磨过程中不添加PCA。

所述的原位合成碳纳米管增强铝基复合材料，随球磨时间的增加，在加工硬化和冷焊的交互竞争作用下，原位合成的CNTS/Al复合粉末呈球片球的形状转变，CNTS也在此过程中逐步嵌入了铝粉基体的内部，形成三维均匀分散在铝粉内部的复合结构，复合材料的组织逐渐变得更加致密均匀。

所述的原位合成碳纳米管增强铝基复合材料，随球磨时间的增加，CNTS/Al复合材料的硬度和抗拉强度均不断增加，伸长率先增后减。经90Min球磨的CNTS/Al复合材料展现了具有强度和塑性的良好配合，其硬度和抗拉强度较原始纯铝提高了1倍和2倍，并且维持了23%的高伸长率。

所述的原位合成碳纳米管增强铝基复合材料，复合材料硬度和强度的显著提升部分原因是铝基体加工硬化，均匀分散在基体内的CNTS有效承担了载荷，充分发挥了强化作用。通过剪切滞后模型预测，CNTS/Al复合材料的力学性能依然有一定的提升空间。

本发明的有益效果是：