[发明专利]纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米碳管和纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法，复合材料包括质量百分比分别为：纳米碳管：0.5‑5％、TiC：18‑38％，Al：60‑80％。制备方法包括：(1)纳米碳管超声分散；(2)前驱粉体CNTs‑Ti‑Al的制备；(3)压坯、烧结及致密化一体化。此工艺将CNTs‑Ti‑Al体系中的部分CNTs作为碳源与合金粉末Ti发生反应引入原位内生的纳米陶瓷颗粒，反应后剩余的CNTs作为增强相。TiC的生成可改善CNTs与Al基体间润湿性差、界面结合强度不高的问题，实现Al基复合材料中不同维度的双增强相(CNTs+TiC)之间耦合交互协同强化基体，极大的提高了复合材料的综合性能，具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，尤其涉及一种纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

铝基复合材料在军事、航空、航天以及民用领域具有重大的应用价值和广泛的应用潜力，是目前装备制造、高速列车、军事军工、航空航天、核电材料等领域最重要的轻量化高性能材料之一。但随着科学技术的飞速发展，工业及军事技术需求不断提高，对高性能轻质结构材料要求业越来越高，不仅要求其具有优异的结构性能，还要求其兼备多功能响应特性。因此，还需不断提高铝基复合材料的综合性能。

纳米碳管(Carbon Nanotubes，CNTs)具有一维管状结构和优异的力学、物理、化学特性，如高抗拉强度(50-200GPa，约为钢的100倍)、较低的密度(1.2-2.1g/cm³，钢的1/6-1/7)、极高的弹性模量(与金刚石相当)、显著的高导热系数(超过3000W/m·K)和低热膨胀系数(1.0×10^-6K)等，这种独特的结构和卓越的综合性能使得纳米碳管在强化金属基复合材料领域显现出巨大的应用前景，被认为是最理想的增强相。但纳米碳管与Al基体润湿性不好、界面处易发生有害反应，界面结合性较差；此外，因碳管具有较高的比表面能和范德华力，导致其在基体中不易分散，极易出现团聚和缠绕现象。目前研究表明，将CNTs作为唯一增强相制备的金属基复合材料的性能远未达到理论值。

而纳米碳化物陶瓷颗粒作为各向同性的纳米硬质增强相，除具有高强度、高硬度、高耐磨性和高热稳定性等优点之外，原位内生工艺还使陶瓷颗粒在基体中易实现均匀分布，且与基体间界面干净、结合强度高，但陶瓷颗粒的综合性能逊色于CNTs，在金属基复合材料领域依靠单一纳米陶瓷颗粒增强金属，其性能提高程度已达到瓶颈，很难再有很大的突破。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种纳米碳管和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料及其制备方法，复合材料为一维和三维双相协同增强的CNTs-TiC/Al复合材料；制备方法将CNTs、Ti和Al的混合粉体通过反应热压烧结制备一维和三维双增强相混杂的CNTs-TiC/Al复合材料，并调控CNTs和TiC的百分含量，实现Al基复合材料中不同维度的双增强相CNTs-TiC混杂分布。

技术方案：本发明的纳米碳管(CNTs)和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料，包括质量百分比为0.5-5％的纳米碳管、18-38％的TiC以及60-80％的Al，优选1.82-4.61％的纳米碳管、18.18-36.37％的TiC以及60-80％的Al。

上述纳米碳管(CNTs)和内生纳米TiC颗粒混杂增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纳米碳管、Ti和Al的混合粉体装入石墨模具中进行压坯，得到坯块；

(2)将步骤(1)中得到的坯块在真空系统和500-600℃条件下保温5-50min，使目标温度与实际温度、炉膛与坯块内外温度一致；然后继续加热至压力突然升高时，迅速加压至40-100MPa，同时停止加热并冷却到室温，完成粉体混合物的热压烧结和致密化，得到所述复合材料。所述复合材料中CNTs和TiC陶瓷颗粒的质量百分含量为20-40％。

步骤(1)中所述纳米碳管、Ti和Al混合粉体制备包括以下步骤：