[发明专利]具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。采用在球磨过程中先预磨高含量的碳纳米管/铝复合材料粉末，再每隔一段时间添加较低含量的碳纳米管/铝复合材料粉末球磨，最后添加铝合金粉末，由此在冷焊作用下复合材料微区形成碳纳米管含量的梯度变化。此外，由于后加入的复合材料粉末经历球磨时间短，晶粒细化程度小，从而形成微区的晶粒尺寸梯度分布。将粉末进行后续致密化及二次加工得到最终的复合材料，表现出远高于均匀结构复合材料的强韧性。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)具有极高的力学性能(抗拉强度10GPa，弹性模量～1GPa)和较大的长径比，被认为是复合材料的理想增强体。向铝合金基体中加入少量碳纳米管即有望制备出高强、高模的铝基复合材料，在航空航天领域有着广阔的应用前景。然而，碳纳米管的加入在使复合材料强度、模量提高的同时，也不可避免的恶化复合材料的韧性，主要来源于两方面的原因，一是分散在铝基体中的碳纳米管具有强烈的钉轧晶界的作用，使基体晶粒严重细化，大大降低了其存储位错的能力；二是以往都追求获得均匀分散的碳纳米管分布，但这种分布使得微裂纹扩展的自由程大大减小，严重降低了复合材料抑制微裂纹扩展的能力。

目前制备高强韧铝基复合材料的方法之一是通过向复合材料中添加粗大的基体粉末[Mater Sci Eng A,1999；259,p 296-307]或者直接复合高韧性铝合金箔[ActaMater,2001；49,p 405-417]，从而构建具有无颗粒区域和颗粒富集区域的非均匀结构，利用无颗粒区域的良好韧性来抑制复合材料的裂纹扩展。但是由于构建出的韧性区尺寸都在几十个微米以上，使得韧性区对脆性区的应力集中无法进行有效松弛，因而对韧性的提高并不明显，而且由于大量低强度韧性区的引入使得复合材料的强度，尤其是屈服强度大幅度下降。

发明内容

本发明的目的在于针对CNT/Al复合材料现有韧性的不足，提供一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料(CNT/Al)及其制备方法。所制备的复合材料在微区具有碳纳米管含量和晶粒尺寸的梯度分布，不仅能有效地发挥碳纳米管的强化效果，而且能使复合材料保持良好的韧性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有非均匀结构的高强韧碳纳米管增强铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备n份由碳纳米管和铝合金粉末组成的混合粉末，其中，第1份至第n份混合粉末中的碳纳米管含量依次为A₁ vol.％、A₂ vol.％、……、A_n vol.％，A₁A₂…A_n-1A_n；所述混合粉末是由铝合金粉末与碳纳米管粉末置于混料机中，混合均匀后获得；

(2)将质量为m₁的第1份混合粉末(A₁ vol.％碳纳米管)置于球磨机中，球磨h₁小时；然后将质量为m₂的第2份混合粉末(A₂ vol.％碳纳米管)加入到球磨机中第1份混合粉末上面，并第1份混合粉末共同球磨h₂小时；依次进行，直至将质量为m_n的第n份混合粉末(A_nvol.％碳纳米管)加入到球磨机中第(n-1)份混合粉末上面，并之前所有粉末共同球磨h_n小时；最后加入质量为m_n+1的铝合金粉末，与前面所有粉末共同球磨h_n+1小时，得到最终的复合材料粉末；

(3)对步骤(2)所得最终的复合材料粉末进行粉末冶金致密化，得到致密的复合材料坯锭；