[发明专利]多元多维度增强相协同增强铝基复合材料力学性能的方法

说明书

本发明涉及一种多元多维度增强相协同增强铝基复合材料力学性能的制备方法，步骤如下：原位合成石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒复合增强相：以葡萄糖为碳源，三水合硝酸铜为铜源，氯化钠为模板，与羧基化碳纳米管共同溶于去离子水中并进行均匀分散，得到混合溶液；之后将混合溶液在液氮辅助下进行快速冷冻，采用冷冻干燥技术去除水分，得到复合粉末；将上述获得的复合粉末放置在方舟中，然后放入到高温管式炉的恒温区进行化学反应，合成条件为氢气下进行反应，合成温度为700～800℃，反应结束后将样品进行快速降温，得到混合粉末；将反应后获得的粉末用去离子水进行水洗和抽滤以除去氯化钠；最后将获得粉末进行真空干燥，得到石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒的复合增强相。(2)石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒协同增强铝基复合材料的成型制备。

技术领域

本发明涉及一种利用冷压-烧结的成型方式来提升铝基复合材料力学性能的制备方法，属于粉末冶金领域。

背景技术

铝和铝合金由于其高的热稳定性，低的密度，良好的塑韧性和优异的抗腐蚀性等被广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域中。但是，目前我们所采用的铝和铝合金通常强度较低，无法满足工业上的许多需求。因此，研究者通过多种方式提升铝和铝合金的力学性能。其中，通过制备铝基复合材料来提升力学强度是一条非常有效的方法。

传统制备铝基复合材料主要是通过陶瓷相纳米颗粒和纤维等，例如氧化铝纳米颗粒，氮化硼纳米片，碳化硅纳米颗粒和碳化钛晶须等。而制备方法主要有粉末冶金、搅拌铸造和压力熔渗等。但是，随着科技发展对结构材料性能要求的不断提升，这些传统的增强相逐渐暴露出增强效率低、密度大、塑韧性差的不足，因此寻找一种新型、高强韧等综合性能良好的轻质增强相成为人们亟待解决的问题。

碳纳米材料(主要包括碳纳米管和石墨烯)是近些年来受到广泛关注的新型纳米材料。其中，碳纳米管和石墨烯都具有优异的性能，强度是钢材的100多倍；杨氏模量1100GPa，热导率约为6000J/(m·K·s)，载流子迁移率可达2×10⁵cm²/(V·s)，而密度只有2.2g/cm³。因此，在低质量分数添加量下，碳纳米管和石墨烯即可大幅度提高金属基体，同时，碳纳米管和石墨烯的密度小于金属基体，在提高金属基体力学性能的同时也降低了复合材料的密度，符合目前复合材料的研究目标，即轻量化和高强等要求。而碳纳米管和石墨烯所具有的超强力学性能已远超过传统的陶瓷相和纳米颗粒等增强相，并且目前可以大规模生产，所以用碳纳米管和石墨烯来增强金属基体有望解决复合材料延伸率低、塑性加工困难的问题，从而在取得良好的增强效果的同时又可以降低生产成本。因此，研究碳纳米管和石墨烯增强金属基复合材料具有非常重要的意义。但目前将碳纳米管或石墨烯作为单独的增强相添加到铝基体中获得性能提升非常有限，因此许多研究者尝试通过构筑碳纳米管和石墨烯的复合增强相来增强铝基复合材料，来达到更好的增强效果。但由于碳纳米材料在烧结或高温熔炼过程中极易与铝反应生成碳化铝脆性相，从而使得复合材料的塑性下降，这一问题又为碳纳米材料增强铝基复合材料带来了困难。研究者发现，在石墨烯或碳纳米管表面通过涂层或负载纳米金属颗粒的方式，不仅可以提高石墨烯或碳纳米管与铝基体的结合，还可以在加工过程中保证碳纳米管和石墨烯的结构完整性。因此，通过构筑碳纳米管和石墨烯复合增强相的同时并负载金属纳米颗粒对增强铝基复合材料并提升铝基复合材料具有很重要的意义。

本发明通过盐模板辅助的方法原位合成石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒。其中，碳纳米管和石墨烯和形成稳定的结合，铜纳米颗粒通过原位催化反应使得石墨烯不仅具有高的结晶度，而且二者之间具有较高的结合强度，从而制备出性能稳定的复合增强相。之后通过变速球磨的方式使得复合增强相不仅在基体中均匀分布，并且结构完整性得到保护。再通过冷压烧结和热挤压的成型方式得到棒状复合材料。通过实验发现，复合材料的力学性能获得显著的提升，并具有较好的延伸率。

发明内容