[发明专利]一种碳纳米管增强铝基复合材料的界面优化方法

说明书

本发明涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料的界面优化方法，属于金属基复合材料制备技术领域。本发明以碳纳米管（CNTs）、高纯钛粉和纯铝粉为原料，采用高能球磨法将碳纳米管和高纯钛粉均匀混合得到CNTs/Ti的复合粉体；采用高能球磨将CNTs/Ti的复合粉体与片状铝粉均匀混合，得到(CNTs‑Ti)/Al的复合前驱体粉体；将(CNTs‑Ti)/Al前驱复合粉体压制成坯料，然后进行烧结，热挤压得到(CNTs‑Ti)/Al复合棒材。本发明所述方法解决了CNT与Al界面结合弱的缺点；同时这种小尺寸的复合结构也作为一种第二相提高了复合材料的力学性能，后续的热挤压也有利于材料的致密化和强度的提高。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料的界面优化方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术

因具有比强度和比刚度高、高温性能好、耐疲劳、耐磨、阻尼性能好、热膨胀系数低等优异的理化性能，铝基复合材料（AMCs）已成为最常用、最重要的金属基复合材料之一，在交通运输、航空航天、武器装备、电子封装与器件等领域应用广泛。例如日本Mazda公司制造的Al₂O₃/铝合金复合材料连杆，比钢质连杆轻35%，抗拉强度和疲劳强度分别达到560MPa和392MPa，且线性膨胀系数小。随着科学技术和现代工业的快速发展，上述领域对铝基复合材料的比强度、比刚度、耐疲劳性、导电导热性等综合性能提出了越来越高的要求。

碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）具有独特的结构和优异的力学与理化性能。CNTs的抗拉强度达到50～200GPa，约为钢的100倍；密度为1.2～2.1g/cm³，仅约为钢的1/6～1/7；CNTs具有优良的导电和导热性能，热膨胀系数低，具有非常广泛的应用前景，也被公认为最理想的复合材料增强体。CNTs增强铝基复合材料具有获得高强、高导、耐蚀、耐疲劳、低膨胀等优异性能的巨大潜力，在航空航天、交通运输、电力输送、机械制造等领域具有广泛的应用前景，成为近年的研究热点。为了获得高性能的CNTs增强铝基复合材料，近年来科研工作者尝试了很多的制备方法，主要包括片状粉末冶金法（Flake powder metallurgyroute）、friction stirring（搅拌摩擦法）、熔铸法（melt and cast processing）、热喷涂法（thermal spraying）和其它的创新方法(novel technique)。

现有技术通过片状粉末冶金的方法成功地均匀分散了10vol%CNTs到铝粉中，为制备高强高导的CNT/Al复合材料探索出新的思路。Liu等通过摩擦搅拌加工的方法制备了6.0wt.%CNTs/Al复合材料，其拉强度达到了190.2 MPa。He等人通过原位合成CNTs获得了均匀5wt.%CNTs分散的CNTs/Al复合材料，其拉伸强度达到了398MPa。上述研究为制备高性能CNTs增强铝基复合材料做出了积极贡献，使复合材料的力学性能较于基体材料提高了很多。但是，上述方法都是尽量将CNTs分散到Al基体中，从而制备CNTs/Al复合材料，其中充满了大量的CNT/Al界面。完整CNTs与Al等金属基体之间的浸润性很差，受破坏的CNTs与Al之间易于生成Al₄C₃化合物，不浸润或过量化合物界面均严重影响复合材料的导电和导热性，导致其物理性能不理想。为了控制CNT和Al之间化合物的形貌和数量，Zhou等人分别尝试通过调控烧结温度和挤压后的热处理温度来得到合适的界面产物Al₄C₃，然而其效果一般。为了改善CNT与Al之间的不润湿性，大量研究者采用了电镀和化学镀的方法在CNTs表面包覆一层Cu、Ni、Ag等与基体材料润湿的金属来改善CNT与Al在界面之间的结合，但期望得到一层完整包覆的镀膜极其困难，其工艺参数也要不断优化，因此时间和工艺成本也相应提高。为克服上述方法制备CNTs/Al复合材料存在的不足，本发明提供一种高强碳纳米管增强铝基复合材料的界面优化的方法。

发明内容