[发明专利]一种利用双轴肩搅拌摩擦工艺制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用双轴肩搅拌摩擦工艺制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：碳纳米管制备、铝合金板预处理、铝合金板填入增强相材料、双轴肩搅拌摩擦焊加工、碳纳米管增强铝基复合材料制成。本发明的有益效果是：通过搅拌针把碳纳米管均匀分布在铝合金板中，提高了碳纳米管与铝合金板的结合性能，提高了铝基复合材料的力学性能，同时上轴肩和下轴肩的顶锻力相互抵消，焊接设备只需提供较小的力以抵抗搅拌头的行进抗力即可，大大简化了对设备的刚性以及电机等部件的要求，从而降低了设备成本，且上轴肩和下轴肩同时产热，使铝合金板上下表面的焊接变形相互抵消，制备方法简单、加工成本低廉、碳纳米管分布效果好。

技术领域

本发明涉及碳纳米管增强铝基复合材料的制备技术领域，具体为一种利用双轴肩搅拌摩擦工艺制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法。

背景技术

近年来，随着金属材料向轻量化、高性能、长寿命、高效能的目标发展，带动了轻质、高强、多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展。加之全球范围内有丰富的铝资源丰富，且易于加工成型和处理，因而加工和生产铝基复合材料比其它金属基复合材料更为经济、易于推广，并广泛的应用于航空航天、兵器、汽车、电子、舰船、轨道交通等国民经济的各个领域。碳纳米管增强铝基复合材料具有耐磨性能好、导热导电性好、密度低、制造工艺灵活多样以及成本相对较低等特点，成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一，在航空、航天和交通运输等方面有着重要的应用前景。

碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法主要有：搅拌铸造法、粉末冶金法、挤压铸造法和喷射成形法等，这些制备方法能耗高、污染环境、可重复性低。而搅拌摩擦加工方法虽然目前仍处于研究的初始阶段，但是由于其固态加工的特点，消除了上述制备方法的缺点，能够满足各种加工需求的复合材料制备，成为近年来该领域的研究热点。

现有的碳纳米管增强铝基复合材料的搅拌摩擦加工制备方法，采用的均为单轴肩的搅拌摩擦加工工具，在加工过程中，搅拌工具的轴肩处摩擦产热量大，该处的温度较高，搅动剧烈，可使碳纳米管运动充分而分布较均匀；与此相反，搅拌工具搅拌针的根部区域，由于靠近背部垫板，散热快，而本省其产热量就相对较少，且搅拌作用相对较弱，造成了该区域处碳纳米管的运动不够充分，而不能均匀分布；且单轴肩搅拌摩擦加工制备铝合金复合材料时，焊接设备需要提供足够的动力，以抵消单轴肩搅拌摩擦加工工具所承受的顶锻力，且随着待加工基板的厚度增加，焊接设备需要提供的顶锻力就越大，对焊接设备的结构刚性、电机的功率等要求就越高，这无疑增加了设备的采购成本。同时在较大尺寸的碳纳米管增强铝基复合材料的制备过程中，往往需要单面多道次的反复加工，才能保证较大尺寸内的碳纳米管的均匀分布，进而保证较大尺寸内的复合材料的性能的均一性。但加工时的热量在单面多次持续输入，会导致该平面内变形较大，有可能造成平面失稳，需要对加工制备后的大尺寸碳纳米管铝基复合材料进行校形处理，才能满足相应的工程使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用双轴肩搅拌摩擦工艺制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用双轴肩搅拌摩擦工艺制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：

1）碳纳米管的制备：通过化学气相沉积法获得碳纳米管，作为备用；

2）铝合金板预处理：取两块侧面相互配合的铝合金板，作为第一料板和第二料板，并在第一料板的侧面加工出一道凹槽；

3）铝合金板填入增强相材料：将步骤1）得到的碳纳米管作为增强相材料填入凹槽，然后将第一料板带有凹槽的侧面和第二料板的侧面配合对接，并固定住第一料板和第二料板；

4）双轴肩搅拌摩擦焊加工：启动双轴肩搅拌摩擦装置，将搅拌针从侧面对准第一料板和第二料板的对接缝，搅拌头带动搅拌针开始旋转，上轴肩、下轴肩分别紧贴着第一料板和第二料板的上下两面，搅拌针旋转进入待加工区，沿着对接缝按照设定的进给速度进行双轴肩搅拌摩擦加工；