CN101914735A - 超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料 - Google Patents

Abstract

一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料，其特征是方法步骤为：(1)对碳纳米管提纯；(2)剪切处理；(3)表面预处理；(4)超声波焊接法。本发明的优点是：很好地解决了碳纳米管在铝合金中的分散问题，由于超声波焊接具有低温，时间短的优点，碳纳米管与铝合金基体之间不会发生界面反应，生成脆性界面物而降低复合材料的强度。反之，碳纳米管的嵌入对铝基复合材料的剥离强度，抗剪强度，硬度等性能有显著的提高，有效地增强了铝基复合材料的综合性能。

Description

超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料，尤其涉及一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料。

背景技术

碳纳米管由于具有独特的管状结构和优异的力学、电学、热学、光学等性能，是制备金属基复合材料的理想增强体之一。在金属基复合材料中加入碳纳米管，能够起到细化复合材料晶粒组织的作用，可以提高抗拉强度和硬度。碳纳米管金属基复合材料的研究、开发和应用一直是国内外高新技术的重要内容之一。

金属基复合材料的制备方法多种多样，主要包括固相法、液相法和原位合成法三大类，每一类又包括若干不同工艺，如固相法有粉末冶金法和扩散结合法等，液相法有搅拌铸造法、含浸凝固法、挤压铸造法等；根据增强相的特点，不同类型的金属基复合材料制备方法选择区别很大，例如，连续纤维增强金属基复合材料通常采用固态扩散结合法、液态金属浸渍法等特殊工艺，而非连续纤维则可采用常规冶金方法。随着CNTs/Al基复合材料研究工作的开展，多种金属基复合材料的制备方法被用于该新型复合材料的研究开发，但就CNTs/Al这一纳米相增强金属基复合材料而言，在制备方法选择上又存在其特殊性，主要需考虑到以下几个方面问题：

(1)需要实现CNTs在铝基体中均匀分布；(2)应避免CNTs-Al之间发生不良界面反应并实现良好界面结合；(3)不应造成CNTs和铝基体原有性能下降；(4)制备方法应适合于批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料，可以制得优良的碳纳米管增强铝基复合材料，可以改善碳纳米管在材料中的分散以及碳纳米管与铝合金基体界面之间结合的状况。

本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：

(1)对碳纳米管提纯：碳纳米管为多壁碳纳米管，直径为10～40nm，长度为0.5～500μm，采用浓度为65％硝酸和浓度98％的硫酸比例为3∶1的混合液对碳纳米管酸洗8h，使碳纳米管中的杂质被氧化，从而得到纯碳纳米管；

(2)剪切处理：将碳纳米管加入乙醇溶液中进行超声剪切，在超声处理过程中，产生大量微小气泡的破裂而造成局部高温，促进了酸对碳纳米管的氧化剪切作用，然后利用行星式球磨机以800r/min的运转速度产生的离心力，摩擦力以及管筒自转与底座公转引起的科氏惯性力等使剪切处理后的碳纳米管能更好的分散开来，球磨50分钟后对碳纳米管进行酸洗、烘干；

(3)表面预处理：铝合金优选AA6061，利用剪切机把铝片切成160mm×18mm×0.3mm的规格，在焊接前，先把铝合金表面用砂纸打磨，或者把表面弄成跟焊头一样的纹理，或者在表面滴加酒精；

(4)超声波焊接法：超声波金属焊接机工作频率为20Khz，振幅为35μm，焊接压力为12.25～21Mpa，焊接时间为40～120ms，焊头尺寸为8mm×8mm。

本发明的优点是：很好地解决了碳纳米管在铝合金中的分散问题，由于超声波焊接具有低温，时间短的优点，碳纳米管与铝合金基体之间不会发生界面反应，生成脆性界面物而降低复合材料的强度。反之，碳纳米管的嵌入对铝基复合材料的剥离强度，抗剪强度，硬度等性能有显著的提高。有效地增强了铝基复合材料的综合性能。

附图说明

图1为本发明在12.25Mpa时力学性能与焊接参数关系对比图。

图2为本发明在17.5Mpa时力学性能与焊接参数关系对比图。

图3为本发明在21Mpa时力学性能与焊接参数关系对比图。

图4为本发明不同表面处理状态对接头剪切强度的影响图。

图5为本发明在焊接压力17.5MPa下焊接时间对接头剪切强度的影响图。

图6为本发明在焊接时间120ms下焊接压力对接头剪切强度的影响图。

图7为本发明纯化后MWNTs的TEM照片。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，结合实施例详细说明本发明，这些实施例只用于说明本发明，并不限制本发明。

实施例1：

步骤1：对碳纳米管进行预处理，碳纳米管为多壁碳纳米管，直径为10～40nm，长度为0.5～500μm。采用硝酸(浓度为65％)和硫酸(98％)比例为3∶1的混合液对碳纳米管酸洗8h，使碳纳米管中的杂质被氧化，从而得到质量分数很高的纯碳纳米管。再将碳纳米管加入乙醇溶液中进行超声剪切，在超声处理过程中，产生大量微小气泡的破裂而造成局部高温，促进了酸对碳纳米管的氧化剪切作用。然后利用行星式球磨机以800r/min的运转速度产生的离心力，摩擦力以及管筒自转与底座公转引起的科氏惯性力等使剪切处理后的碳纳米管能更好的分散开来，球磨50分钟后对碳纳米管进行酸洗、烘干以备后用。

步骤2：铝合金为AA6061，在焊接前，先把铝合金表面用粗砂纸打磨，然后用毛笔粘少许碳纳米管粉末均匀铺在铝合金下薄片上，再用细砂纸在铺有碳纳米管的铝合金下薄片上打磨，使得碳纳米管比较均匀的分散在铝合金薄片上。

步骤3：用尺寸一致的铝合金上薄片与步骤2中得到的铺有碳纳米管的铝合金下薄片贴合在一起，进行超声波焊接。其中超声波金属焊接机工作频率为20Khz，振幅为35μm，焊接压力为12.25Mpa，焊接时间为120ms，焊头尺寸为8mm×8mm。即可制得碳纳米管增强铝基复合材料。

实施例2：

步骤1：对碳纳米管进行预处理，碳纳米管为多壁碳纳米管，直径为10～40nm，长度为0.5～500μm。采用硝酸(浓度为65％)和硫酸(98％)比例为3∶1的混合液对碳纳米管酸洗8h，使碳纳米管中的杂质被氧化，从而得到质量分数很高的纯碳纳米管。再将碳纳米管加入乙醇溶液中进行超声剪切，在超声处理过程中，产生大量微小气泡的破裂而造成局部高温，促进了酸对碳纳米管的氧化剪切作用。然后利用行星式球磨机以800r/min的运转速度产生的离心力，摩擦力以及管筒自转与底座公转引起的科氏惯性力等使剪切处理后的碳纳米管能更好的分散开来，球磨50分钟后对碳纳米管进行酸洗、烘干以备后用。

步骤2：铝合金为AA6061，在焊接前，用超声波金属焊接机的焊头把铝合金表面压制成与它一样的纹理，这时焊接机的焊接时间应为10ms，其它参数保持不变，然后用毛笔粘少许碳纳米管粉末均匀铺在铝合金下薄片上，再用细砂纸在铺有碳纳米管的铝合金下薄片上打磨，使得碳纳米管比较均匀的分散在铝合金薄片上。

步骤3：用尺寸一致的铝合金上薄片与步骤2中得到的铺有碳纳米管的铝合金下薄片贴合在一起，进行超声波焊接。其中超声波金属焊接机工作频率为20Khz，振幅为35μm，焊接压力为21Mpa，焊接时间为120ms，焊头尺寸为8mm×8mm。即可制得碳纳米管增强铝基复合材料。

实施例3：

步骤1：对碳纳米管进行预处理，碳纳米管为多壁碳纳米管，直径为10～40nm，长度为0.5～500μm。采用硝酸(浓度为65％)和硫酸(98％)比例为3∶1的混合液对碳纳米管酸洗8h，使碳纳米管中的杂质被氧化，从而得到质量分数很高的纯碳纳米管。再将碳纳米管加入乙醇溶液中进行超声剪切，在超声处理过程中，产生大量微小气泡的破裂而造成局部高温，促进了酸对碳纳米管的氧化剪切作用。然后利用行星式球磨机以800r/min的运转速度产生的离心力，摩擦力以及管筒自转与底座公转引起的科氏惯性力等使剪切处理后的碳纳米管能更好的分散开来，球磨50分钟后对碳纳米管进行酸洗、烘干以备后用。

步骤2：铝合金为AA6061，在焊接前，用毛笔粘少许碳纳米管粉末均匀铺在铝合金下薄片上，然后在它们上面滴加酒精，之后用金属滚针在铺有碳纳米管的铝合金下薄片上滚压，使得碳纳米管比较均匀的分散在铝合金薄片上。最后，用吹风机把它吹干，烘干。

步骤3：用尺寸一致的铝合金上薄片与步骤2中得到的铺有碳纳米管的铝合金下薄片贴合在一起，进行超声波焊接。其中超声波金属焊接机工作频率为20Khz，振幅为35μm，焊接压力为17.5Mpa，焊接时间为120ms，焊头尺寸为8mm×8mm。即可制得碳纳米管增强铝基复合材料。

实施例4

继续采用实施例1、2、3中的步骤1、2，对步骤3中的焊接时间改为100ms，其它都不变。

实施例5

继续采用实施例1、2、3中的步骤1、2，对步骤3中的焊接时间改为80ms，其它都不变。

实施例6

继续采用实施例1、2、3中的步骤1、2，对步骤3中的焊接时间改为60ms，其它都不变。

实施例7

继续采用实施例1、2、3中的步骤1、2，对步骤3中的焊接时间改为40ms，其它都不变。

在这里，我们优选实例3，因为从它的力学性能对比看选实例3来制备能得到最优的碳纳米管增强铝基复合材料。

Claims (1)

1.一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料，其特征是方法步骤为：

(1)对碳纳米管提纯：碳纳米管为多壁碳纳米管，直径为10～40nm，长度为0.5～500μm，采用浓度为65％硝酸和浓度98％的硫酸比例为3∶1的混合液对碳纳米管酸洗8h，使碳纳米管中的杂质被氧化，从而得到纯碳纳米管；

(2)剪切处理：将碳纳米管加入乙醇溶液中进行超声剪切，在超声处理过程中，产生大量微小气泡的破裂而造成局部高温，促进了酸对碳纳米管的氧化剪切作用，然后利用行星式球磨机以800r/min的运转速度产生的离心力，摩擦力以及管筒自转与底座公转引起的科氏惯性力等使剪切处理后的碳纳米管能更好的分散开来，球磨50分钟后对碳纳米管进行酸洗、烘干；

(3)表面预处理：铝合金优选AA6061，利用剪切机把铝片切成160mm×18mm×0.3mm的规格，在焊接前，先把铝合金表面用砂纸打磨，或者把表面弄成跟焊头一样的纹理，或者在表面滴加酒精；

(4)超声波焊接法：超声波金属焊接机工作频率为20Khz，振幅为35μm，焊接压力为12.25～21Mpa，焊接时间为40～120ms，焊头尺寸为8mm×8mm。

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