[发明专利]一种制备碳纳米管强化轻质铝基合金的方法

说明书

本发明属于先进金属材料制备研究领域，特别提供了一种制备碳纳米管强化轻质铝基合金的方法，该方法包括如下步骤，先对多壁碳纳米管的表面进行改性，再将改性后的多壁碳纳米管与铝粉混合，搅拌均匀后压制成含碳纳米管的预合金块；将得到含碳纳米管的预合金块加入到轻质铝基合金熔体中，分散均匀后，采用喷射成形法，得到碳纳米管强化轻质铝基合金。本发明的有益效果是：该方法利用在熔体中添加碳纳米管进行分散降低碳纳米管分散过程中需要的能量，提升制备效率并降低杂质引入；同时利用喷射成形过程的快速冷却降低碳纳米管在凝固后期的团聚，最终得到的轻质铝基合金坯体中杂质含量少，碳纳米管分布均匀，且元素少偏析甚至无偏析。

技术领域

本发明属于先进金属材料制备研究领域，特别提供了一种制备碳纳米管强化轻质铝基合金的方法。

背景技术

轻质铝基合金是基于高熵合金的轻量化而设计开发的一种新型轻质合金，它具有传统轻质合金所无法比拟的高比强度和比硬度等突出特点，在航空航天领域显示出了巨大的应用潜力。随着我国航天事业的飞速发展，对空间抗辐射材料的研究具有日益重要的意义。研究表明，Al₁₅Li₃₅Mg₃₅Ca₁₀Si₅轻质铝基合金的密度仅为1.44g/cm³，屈服强度为418MPa，塑性应变为5％，表现出了良好的力学性能。然而，晶态合金材料在太空环境服役时，需要长期经受各种粒子、射线辐照，特别是中子辐照时产生结构和性能的变化，导致其结构不稳定、性能逐渐下降，进而影响其服役寿命。

碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)以其超强的力学性能和优异的理化性能，成为极端条件下使用轻质铝基合金的理想增强相。碳纳米管是由石墨片卷曲而成的中空无缝管状纳米结构，其管径一般为几到几十纳米，长度约为几到几百微米，具有管径小、长径比大等结构特点，使其具有许多优异的性能。理论计算和实验结果都表明CNTs具有极高的刚度、强度和极大的韧性，实验测得其平均杨氏模量约为1.8TPa，抗拉强度可达150GPa，约为高强钢的100倍。由于CNTs的中空结构，故在承受外载荷时可以通过体积弹性变化吸收能量，而不会呈现脆性行为、弹性变形和键断裂，故在完全分散的情况下仅需添加0.1vol％的碳纳米管就能达到良好的强化效果。同时，CNTs可以充当类似于林位错的微结构来强化基体，有效缓解高温强化效果降低的问题，有助于合金高温强度的提升。此外，CNTs可以通过碳原子重排等方式吸收来辐照离子的能量以降低辐照产生的空位的过饱和度，促进辐照产生的点缺陷的复合，并大幅度减轻/抑制辐照引起的材料肿胀及脆化效应。CNTs还能够充当纳米烟囱，使辐照缺陷进入碳纳米管内部，从而逸散出辐照损伤区域，提升合金的抗粒子辐照性能。综上所述，碳纳米管是应对极端条件下航天用合金材料的理想强化相。

获得高性能碳纳米管强化轻质铝基合金的关键，在于使用合适的制备方法使碳纳米管均匀分散到轻质铝基合金基体之中。目前能够大批量制备碳纳米管强化轻质铝基合金的方法有粉末高能球磨法和熔铸法。粉末高能球磨法是将碳纳米管与合金粉末进行高能球磨，依靠高速旋转过程中球磨介质对原料施加的能量将碳纳米管分散，并在原料粉末破碎和冷焊的过程中进入粉末内部，达到均匀分散的目的。高能球磨法制备碳纳米管强化合金晶粒细小且偏析较少，能有效提高材料的强度。然而高能球磨不仅费时费能，还在碳纳米管添加较多时不仅无法保证其分散的均匀性。更加严重的是，在长时间的球磨过程中容易引入杂质，反而对材料的力学性能产生不利的影响。熔铸法一般是将表面改性后的碳纳米管加入合金熔体中，再使用机械搅拌或超声波使碳纳米管在熔体中分散，最后浇注得到碳纳米管强化合金锭。与高能球磨相比，熔体添加法可以有效的减少制备过程中杂质的引入。但是，熔体法制备的碳纳米管强化合金无可避免的存在各种偏析，影响最终材料的性能。同时，凝固后期熔体粘度的上升不可避免会降低机械搅拌和超声波的分散效果，在此阶段碳纳米管有重新团聚的风险，降低碳纳米管的分散效果。

发明内容

本发明公开了一种制备碳纳米管强化轻质铝基合金的方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。