CN101709436A - 高导热铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高导热铝基复合材料的制备方法，该方法采用碳纳米管、铝合金粉为基料，按照重量百分比，取碳纳米管，往碳纳米管中加入乙醇、表面分散剂，用超声波处理，得到碳纳米液体；将碳纳米液体烘干，然后加入铝合金粉球磨，再放在搅拌机内高速搅拌，碳纳米管分散均布于铝合金粉体中，制得粉料；将粉料轻压模具中，采用磁力定向法，模压成型，得到半成品；将半成品经过低温和高温烧结两个阶段，烧结过程中采用惰性气体保护，炉内降温到室温后，得到成品。本使用磁导定向法，不但方法简单而且使铝基或铝合金基复合材料内部获得含有定向碳纳米管，尽可能的诱导碳纳米管按轴向排布。可以凸显出碳纳米管非常独特各向异性的微观结构特点。

Description

高导热铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种功能材料的制作方法，具体地说是一种采用磁性定向碳纳米管获得高导热铝基复合材料的制备方法。

背景技术

随着现代工业的不断发展，各种增强型的铝基复合材料日益增多，正是由于增强体的加入并与基体的良好复合，铝基复合材料才具有比普通铝合金更优越的各种性能，因此增强体的选择非常重要。针对不同材料的具体应用，应选择具有不同性能的增强体。由于碳纳米管具极好导热性，实验测量，室温下单壁碳纳米的导热系数为6000W/(m-K)，与金刚石相近。双壁碳纳管的导热系数为3580W/(m-K)，以及多壁碳纳米管的导热系数为2860W/(m-K)，因此是很好的铝基复合材料的增强体，不仅提高铝基复合材料的导热性的同时也提高铝基复合材料的强度，耐磨性。

但由于碳纳米管长度很短(一般在几百微米)，在作为复合材料增强剂时不仅需要考虑碳纳米管和基体的结合情况，在基体中均匀分布，使碳纳米管与铝基体良好的复合，还需要考虑碳纳米管的长径比，以及为了充分利用碳纳米管轴向的超导热性能，需要考虑的一个重要因素是把碳纳米管很整齐的在铝基体内轴向排列起来，这是一个很困难的问题。

制备金铝基复合材料的方法有多种，目前通常采用的方法对于不连续增强的碳纳米管的铝基复合材料，重要的制备工艺是粉末冶工艺。粉末冶金法制备是非连续增强铝基复合材料的一种传统固态工艺方法。它的技术路线是将增强相颗粒与铝粉按设计要求的比例在适当的条件下均匀混合，制得复合材料坯料。然后装入模具中压制成型，同时复合材料坯料进行除气，去除吸附气体、水和氧化物等易挥发的物质。最后将压制坯料加热到适当的温度，采用真空热压和热等静压方法制成复合材料锭块。一般地，粉末冶金烧结锭块还必须经过挤压、轧制、锻造等二次加工，以提高材料的致密度。而且，二次加工还可以提高基体与增强相之间的界面结合及改善颗粒分布的均匀性。

但是碳纳米管的非常独特的微观结构特点是碳米管微观结构也显现出它的各向异性，即轴向和径向的导热性能有着极大的不同。传统固态工艺方法制备的铝基复合材料，导热系数提高不多，效果不好，故不能解决此问题。

发明内容

本发明的发明目的在于针对现有技术的诸多不足，提供一种将在纳米聚团床中用含铁催化剂催化化学气相沉积法批量制备的碳纳米管或者充填磁性粒子的碳纳米管，通过溶剂、超声波和高速混合处理，将碳纳米管分散，均布于铝或铝合金粉体中，再将混合好的符合铝或铝合金粉体轻压模具中，外加电磁或永磁强磁场，诱导磁性碳纳米管在粉体中定向排布后，再加压成型，在惰性气氛下热处理成型的高导热铝基复合材料的制备方法。

实现上述发明目的采用以下技术方案：

一种高导热铝基复合材料的制备方法，该方法采用碳纳米管、铝合金粉为基料，其特征在于，

a.按照重量百分比，取2％～5％的碳纳米管，往碳纳米管中加入体积百分数95％的乙醇、1.25％表面分散剂烷基酚聚氧乙烯醚(OP)，用超声波处理60分钟，得到碳纳米液体；

b.将碳纳米液体烘干，然后加入200网目筛下的铝合金粉，球磨30分钟，再放在搅拌机内，高速搅拌10分钟，碳纳米管分散，均布于铝合金粉体中，制得粉料；

c.将粉料轻压模具中，采用磁力定向法，保持20分钟，模压成型，压力300兆帕保压，得到半成品；

d.将半成品烧结，经过低温预烧阶段和高温烧结阶段两个阶段，烧结过程中采用惰性气体保护，低温预烧阶段加热升温速率18度/分钟，温度为200℃，保温时间90分钟，再加热到高温烧结阶段温度680℃，保温时间4小时，炉内降温到室温，得到成品高导热铝基复合材料。

本发明的优选方案是：所述制备方法采用的碳纳米管是在纳米聚团床中用含铁催化剂催化化学气相沉积法批量制备的碳纳米管或者是充填磁性粒子的碳纳米管。

本发明的另一优选方案是：所述的磁导定向法是采用永磁或电磁定向的方法，其磁场强度为300mT～400mT。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

(1)碳纳米管可以随意加入，并可准确控制。同时对碳纳米管尺寸无特殊限制；可实现材料机械与物理性能的控制与调整，从而满足生产的要求

(2)碳纳米管与铝基体合金粉末种类可选范围宽，通过控制固态、烧结、致密化过程，可使铝基体与碳纳米管相之间可能发生化学反应的程度降至最低。适合于范围较宽的铝基粉粒。

(3)采用该方法可以制备形状比较复杂的零件，成型精度较高，可以减少后期的机械加工的成本。

(4)重要的是该方法可任意调节碳纳米管的方向。

(5)本方法的特点是材质壁厚≤5mm效果较明显。

(6)本方法使用的磁场诱导定向碳纳米管技术即磁导定向法。使铝基或铝合金基复合材料内部获得含有定向碳纳米管，尽可能的诱导碳纳米管按轴向排布。可以凸显出碳纳米管非常独特各向异性的微观结构特点。(即碳纳米管的轴向与径向导热性能有着明显不同)

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

本发明是一种高导热铝基复合材料的制备方法，该方法的发明思想是：采用纳米聚团床中用含铁催化剂催化化学气相沉积法批量制备的碳纳米管或者充填磁性粒子的碳纳米管，碳纳米管的组分含量可根据应用的目的任意调节，通过溶剂、超声波和高速混合处理，将碳纳米管分散，均布于铝或铝合金粉体中。然后将碳纳米管分散，均布于铝或铝合金的粉体，放入模具内，采用永磁或电磁定向，压制成型。在真空或保护气氛中，烧结成品。

本发明高导热铝基复合材料的制备方法采用碳纳米管、铝合金粉为基料，其步骤是：

a.按照重量百分比，取2％～5％的碳纳米管，往碳纳米管中加入占体积百分数95％的乙醇、1.25％表面分散剂烷基酚聚氧乙烯醚(OP)，用超声波处理60分钟，得到碳纳米液体；

b.将碳纳米液体烘干，然后加入200网目筛下的铝合金粉，球磨30分钟，再放在搅拌机内，高速搅拌10分钟，碳纳米管分散，均布于铝合金粉体中，制得粉料；

c.将粉料轻压模具中，采用磁力定向法，保持20分钟，模压成型，压力300兆帕保压，得到半成品；

d.将半成品烧结，经过低温预烧阶段和高温烧结阶段两个阶段，烧结过程中采用氩气保护，低温预烧阶段加热升温速率18度/分钟，温度为200℃，保温时间90分钟，再加热到高温烧结阶段温度680℃，保温时间4小时，炉内降温到室温，得到成品高导热铝基复合材料。

本发明所述制备方法采用的碳纳米管是在纳米聚团床中用含铁催化剂催化化学气相沉积法批量制备的碳纳米管或者是充填磁性粒子的碳纳米管。

本发明所述制备方法其所述的磁导定向法，采用永磁或电磁定向的方法，其磁场强度为300mT～400mT。

具体实施例

实施例1

按照重量百分比取清华纳米聚团床中用含铁催化剂催化化学气相沉积法批量制备的3％的碳纳米管，往碳纳米管中加入体积百分数95％的乙醇、1.25％表面分散剂烷基酚聚氧乙烯醚(OP)，用超声波处理60分钟，得到碳纳米液体。将得到得碳纳米液体用烘干机烘干后，然后往碳纳米液体内加入200网目筛下的6061铝合金粉，将碳纳米液体与6061铝合金粉的混合物放入球磨机内球磨30分钟，球磨后的混合物再放到搅拌机内，机械高速搅拌10分钟制得粉料。将粉料轻压模具中，采用磁力定向法，磁场强度300mT，保持20分钟，模压成型，压力300兆帕保压制得半成品。将半成品烧结，烧结时分两个阶段，即低温预烧阶段和(高温)烧结阶段，烧结过程中采用氩气保护，低温预烧加热升温速率18度/分钟，温度为200℃，保温时间90分钟，再加热到高温烧结温度680℃，保温时间4小时，炉内降温到室温后，得到成品高导热铝基复合材料。

实施例2

按照重量百分比取清华纳米聚团床中用含铁催化剂催化化学气相沉积法批量制备的4％碳纳米管，往碳纳米管中加入体积百分数95％的乙醇、1.25％表面分散剂烷基酚聚氧乙烯醚(OP)，用超声波处理60分钟，得到碳纳米液体。将得到得碳纳米液体用烘干机烘干后，往碳纳米液体内加入200网目筛下的6061铝合金粉，将碳纳米液体与6061铝合金粉的混合物放入球磨机内球磨30分钟，球磨后的混合物再放到搅拌机内，机械高速搅拌10分钟制得粉料。将粉料轻压模具中，采用磁力定向法，磁场强度(400)mT，保持20分钟，模压成型，压力300兆帕保压制得半成品。将半成品烧结，烧结时分两个阶段，即低温预烧阶段和高温烧结阶段，烧结过程中采用氩气保护，低温预烧加热升温速率18度/分钟，温度为200℃，保温时间90分钟，再加热到高温烧结温度680℃，保温时间4小时，炉内降温到室温后，得到成品高导热铝基复合材料。

实施例3

按照重量百分比取清华纳米聚团床中用含铁催化剂催化化学气相沉积法批量制备的5％碳纳米管，往碳纳米管中加入体积百分数95％的乙醇、1.25％表面分散剂烷基酚聚氧乙烯醚(OP)，用超声波处理60分钟，得到碳纳米液体。将得到得碳纳米液体用烘干机烘干后，往碳纳米液体内加入200网目筛下的6061铝合金粉，将碳纳米液体与6061铝合金粉的混合物放入球磨机内球磨30分钟，球磨后的混合物再放到搅拌机内，机械高速搅拌10分钟制得粉料。将粉料轻压模具中，采用磁力定向法，磁场强度(400)mT，保持20分钟，模压成型，压力300兆帕保压制得半成品。将半成品烧结，烧结时分两个阶段，即低温预烧阶段和高温烧结阶段，烧结过程中采用氩气保护，低温预烧加热升温速率18度/分钟，温度为200℃，保温时间90分钟，再加热到高温烧结温度680℃，保温时间4小时，炉内降温到室温后，得到成品高导热铝基复合材料。

本发明复合材料的导热性质，经试验测试远远高于6061铝合金。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，虽然本发明以较佳的实施例揭示如上，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，在不脱离本发明的设计思想和范围内，对本发明进行各种改动和润饰，都应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高导热铝基复合材料的制备方法，该方法采用碳纳米管、铝合金粉为基料，其特征在于，

a.按照重量百分比，取2％～5％的碳纳米管，往碳纳米管加入占体积百分数95％的乙醇、1.25％表面分散剂烷基酚聚氧乙烯醚，用超声波处理60分钟，得到碳纳米液体；

b.将碳纳米液体烘干，然后加入200网目筛下的铝合金粉，球磨30分钟，再放在搅拌机内，高速搅拌10分钟，碳纳米管分散，均布于铝合金粉体中，制得粉料；

c.将粉料轻压模具中，采用磁导定向法，保持20分钟，模压成型，压力300兆帕保压，得到半成品；

d.将半成品烧结，经过低温预烧阶段和高温烧结阶段两个阶段，烧结过程中采用惰性气体保护，低温预烧阶段加热升温速率18度/分钟，温度为200℃，保温时间90分钟，再加热到高温烧结阶段温度680℃，保温时间4小时，炉内降温到室温，得到成品高导热铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的高导热铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法采用的碳纳米管是在纳米聚团床中用含铁催化剂催化化学气相沉积法批量制备的碳纳米管或者是充填磁性粒子的碳纳米管。

3.根据权利要求1所述的高导热铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的磁导定向法，采用永磁或电磁定向的方法，其磁场强度为300mT～400mT。