[发明专利]在硅微粉表面原位生长碳纳米管增强铝基复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种在硅微粉表面原位生长碳纳米管增强铝基复合材料的方法，包括以下过程：用聚乙烯醇水溶液表面改性处理硅微粉；在改性的硅微粉表面负载催化剂前驱体；利用原位化学气相沉积工艺在硅微粉表面生长碳纳米管；硅‑碳纳米管/铝复合粉末的制备；硅‑碳纳米管/铝复合材料块体的压制‑烧结成型；硅‑碳纳米管/铝复合材料块体的挤压变形处理。采用该方法制备的硅‑碳纳米管/铝复合材料，以硅微粉作为中间载体，为碳纳米管的生长提供了惰性的表面，提高了碳纳米管的生长质量和结构完整性，在显著提升材料抗拉强度的同时塑韧性得到很好的保持。

技术领域

本发明是一种在硅微粉表面原位生长碳纳米管增强铝基复合材料的方法，涉及复合粉末成型技术及复合材料力学性能，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

在航空航天、电子和汽车等领域，金属基复合材料因其高比强度、比模量、良好的导热、导电性、耐磨性、热稳定性以及低的热膨胀系数等优异性能，展现出广阔的应用前景。其中，铝基复合材料由于密度小、耐腐蚀、加工性能好、基体合金选择范围广、可热处理强化效果明显以及制备工艺种类丰富等优势，研究最为广泛且发展最快。

碳纳米管作为21世纪备受瞩目的碳纳米材料之一，具有很重要的研究价值和应用前景。单壁碳纳米管的杨氏模量理论估计高达5TPa，实验测得的多壁碳纳米管杨氏模量平均达1.8TPa，抗拉强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。因此，作为一种力学性能理想的一维碳纳米材料，碳纳米管作为复合材料增强体的研究层出不穷，相关研究也极具特色。

按照碳纳米管与铝基体的复合途径不同，可分为外加法和原位法。传统的制备方法是通过外加的方式使碳纳米管均匀分散在铝基体中获得复合材料，一般是采用球磨工艺进行分散，而良好的分散效果往往是由长时间的球磨获得的，因此高能球磨过程会破坏其结构完整性，故近年来研究人员开始研究在金属粉末表面原位生长碳纳米管，很好地解决了碳纳米管分散性的问题。就目前铝基复合材料的应用市场来看，在铝基体中添加合金元素使其相比纯铝具备可形变强化、可热处理强化的空间，拓展其应用的范围，成为当前铝基复合材料研究的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在硅微粉表面原位生长碳纳米管增强铝基复合材料的方法。该方法能够有效克服单一载体影响碳纳米管生长质量所带来的问题，该方法过程简单易行，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，

一种在硅微粉表面原位生长碳纳米管增强铝基复合材料的方法，包括以下过程：

(1)用聚乙烯醇水溶液表面改性处理硅微粉：

将～5μm的硅微粉加入到适量的0.5wt.％的聚乙烯醇水溶液，超声、磁力搅拌2h，然后抽滤、洗涤，烘干备用。

(2)在改性的硅微粉表面负载催化剂前驱体：

将粒径～5μm的改性的硅微球和六水合硝酸钴[Co(NO3)·6H2O]按照质量比5：(0.25～1)溶解于无水乙醇中，在65℃恒温持续磁力搅拌直至蒸干无水乙醇，然后将蒸干的负载催化剂前驱体的硅微粉置于80℃的烘箱中，烘干2h；

(3)利用原位化学气相沉积工艺在硅微粉表面生长碳纳米管：

将步骤(2)制得的负载催化剂前驱体的硅微粉在管式炉中氢气气氛下还原获得钴/硅粉末，还原温度为450℃；随后升温到900℃，通入氢气、氩气、甲烷的混合气体反应，在硅微粉表面生长碳纳米管，最后在氩气气氛的保护下冷却到室温；

(4)硅-碳纳米管/铝复合粉末的制备：

将步骤(3)中原位生长碳纳米管的硅微粉和粒径～40μm的球形铝粉按照质量比为1:19进行球磨复合，得到硅-碳纳米管/铝复合粉末；

(5)硅-碳纳米管/铝复合材料块体的压制-烧结成型：