CN102943223A - 一种超声场下高导热系数铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种高导热系数铝基复合材料及其制备方法，即把碳纳米管（ＣＮＴｓ）作为增强相，利用其独特的结构和优异的物理化学性能，来制备出一种高导热系数的铝基复合材料，其具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本发明的制备方法是先对碳纳米管进行镀镍处理，改善其表面活性，经过改性处理后的碳纳米管与基体具有良好的润湿性,可以形成牢固的界面,同时也可以促进碳纳米管在基体中的分散，然后在超声场作用下，利用搅熔铸造法制备碳纳米管（ＣＮＴｓ）增强铝基复合材料，其优点在于制备的复合材料碳管增强体分布均匀，导热系数高，且设备简单、生产效率高，便于进行大规模生产。

Description

一种超声场下高导热系数铝基复合材料的制备方法

技术领域

    本发明涉及一种超声场下高导热系数铝基复合材料的制备方法，属于碳纳米管增强铝基复合材料的制备技术。 

背景技术

 铝基复合材料来源广泛，加工性能好，在日常生活中应用广泛。但随着现代工业特别是航空航天技术的发展，以及电子行业中对集成电路的散热问题的研究，人们对材料的热传导性能的要求越来越高，传统金属材料的性能已经不能满足实际应用需要,研发高导热系数材料性，提高材料的热传导性能已经成为一种发展趋势。 

1991年，日本NEC的Iijimatl用电子显微镜观察石墨直流放电的产物时，发现了碳纳米管（ＣＮＴｓ）。自此以后，ＣＮＴｓ以其独特的结构、优良的物理和化学性能、巨大的应用前景吸引了大批的物理学家、化学家和材料学家的兴趣，成为科学领域的研究热点。而碳纳米管的一维分子材料和六边形完美连接结构,具有较大长径比,因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会得到很大的改善。碳纳米材料作为增强体提高复合材料的导热性能具有重要的应用价值和不可估量的研发前景。 

然而，把铝粉和碳纳米管混合，直接压制很难解决碳纳米管在铝基复合材料中的分散及其与基体之间的浸润问题，碳纳米管在复合粉末中团聚，形成弱相，弱相容易引发孔隙、裂纹,尤其是当碳纳米管在晶界处团聚时,使得晶界强度大幅度降低,从而大大降低复合材料的物理和力学性能。因此，在制备碳纳米管增强金属基复合材料的过程中,关键的技术就是将碳纳米管均匀、弥散地分散在金属基体中,避免增强相在基体中团聚形成弱相。高能超声波在熔体介质中会产生周期性的应力和声压，并由此导致许多非线性效应，如声空化（Ultrasonic Cavitation）和声流（Acoustic Streaming）效应等。高能超声的这些效应可在极短时间（数十秒）内显著改善微细颗粒与熔体的润湿性，并迫使其在熔体中均匀分散。因此，将高能超声处理与传统的铸造成形工艺相结合，不仅可以实现微细颗粒在熔体中的弥散分布，而且还保留了传统铸造法近净成形的特点，是近年来材料技术研究中的一大热点。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管增强铝基复合材料，该材料具有良好的导热性能；本发明的另一目的是提供一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，通过碳纳米管表面镀镍处理，提高其表面活性，再经过超声场搅拌处理，从而获得碳管分布均匀，导热系数优良的复合材料。 

由于碳纳米管自身不具有催化表面，首先进行化学镀镍，再将镀好镍的碳纳米管置入铝液中，在一定的超声场环境下冷却凝固，制得该材料。 

本发明超声场下高导热系数铝基复合材料由下述方法制备： 

（1）在碱性条件下，采用硫酸镍为镀液主要成分，柠檬酸钾(K₃C₆H₅O₇)为络合剂，次亚磷酸钠(NaH₂PO₂)为还原剂在碳纳米管表面进行化学镀镍；其浓度配比分别为NiSO₄.6H₂O 20 g/L， NaH₂PO₂.H₂O 15 g/L，柠檬酸钾 2g/L；

（2）将铝合金熔融，然后静置一段时间，待基体铝液冷却至半固态；

（3）将表面经过镀镍处理的碳纳米管粉末加入到半固态的基体金属中，搅拌一定时间后升温至基体合金液相线温度以上,再搅拌一段时间；

（4）使用高能超声对反应熔体进行超声化学处理，促使增强相均匀分布；

（5）将超声处理后的熔体浇铸工件模具内，最后冷却成模。

步骤（2）中熔体温度640℃-670℃。 

步骤（4）使用高能超声对反应熔体进行超声分散处理；变幅杆进入熔体深度为8mm，超声频率20kHz，超声功率分为0.8kW-1.8kW，作用时间150s-300s。 

本发明的制备方法是先对碳纳米管进行镀镍处理，改善其表面活性，经过改性处理后的碳纳米管与基体具有良好的润湿性,可以形成牢固的界面,同时也可以促进碳纳米管在基体中的分散，然后在超声场作用下，利用搅熔铸造法制备碳纳米管（ＣＮＴｓ）增强铝基复合材料，其优点在于制备的复合材料碳管增强体分布均匀，导热系数高，且设备简单、生产效率高，便于进行大规模生产。 

具体实施方式

以下结合实施例,以6063Al合金为基体，对本发明做进一步的阐述。 

实施例1 

制备1㎏碳纳米管增强铝基复合材料，碳纳米管体积百分比为10％，其余为6063Al合金，体积百分数为90%。

（1）在碱性条件下，采用20g/L硫酸镍为镀液主要成分，2g/L柠檬酸钾(K₃C₆H₅O₇)为络合剂，15g/L次亚磷酸钠(NaH₂PO₂)为还原剂在碳纳米管表面进行化学镀镍； 

（2）将铝合金锭放入石墨坩埚中，在电磁炉中升温至850℃，待其熔融后静置一段时间至铝液温度500℃左右；

（3）待基体铝液静置冷却至半固态时，将表面经过镀镍处理的2.8g碳纳米管粉末加入其中，搅拌一段时间后升温至基体合金液相线温度655℃以上,再搅拌一段时间；

（4）并将超声变幅杆置于熔体中，利用超声场作用于熔体。变幅杆进入熔体深度为8mm，超声频率20kHz，超声功率分为0.8kW-1.8kW，作用时间150s-300s；

（5）超声化学处理结束后，熔体静置5min，温度降至700-730℃，精炼，扒渣，浇入水冷铜模。

实施例2 

制备1㎏碳纳米管增强铝基复合材料，碳纳米管体积百分比为15％，6063Al合金重量百分比为85%。

（1）在碱性条件下，采用20g/L硫酸镍为镀液主要成分，2g/L柠檬酸钾(K₃C₆H₅O₇) 为络合剂，15g/L次亚磷酸钠(NaH₂PO₂)为还原剂在碳纳米管表面进行化学镀镍； 

（2）将铝合金锭放入石墨坩埚中，在电磁炉中升温至850℃，待其熔融后静置一段时间至500℃左右；

（3）待基体铝液静置冷却至半固态时，将表面经过镀镍处理的4.2g碳纳米管粉末加入其中，搅拌一段时间后升温至基体合金液相线温度655℃以上,再搅拌一段时间；

（4）并将超声变幅杆置于熔体中，利用超声场作用于熔体。变幅杆进入熔体深度为8mm，超声频率20kHz，超声功率分为0.8kW-1.8kW，作用时间150s-300s；

（5）超声化学处理结束后，熔体静置5min，温度降至700-730℃，精炼，扒渣，浇入水冷铜模。

     6063Al合金加工特性极佳，成本低，常被用作散热片材料。在常温下其热传导性一般为201W/（m.K）,碳纳米管的导热系数可达到3580W/（m.K），在铝合金中加入碳纳米管增强后，导热系数可达到240W/（m.K），导热系数提高了将近20%，大大改善了基体铝合金材料的导热性能。 

Claims (4)

1.一种超声场下高导热系数铝基复合材料，其特征在于通过下述方法制备：

（1）在碱性条件下，采用硫酸镍为镀液主要成分，柠檬酸钾(K₃C₆H₅O₇)为络合剂，次亚磷酸钠(NaH₂PO₂)为还原剂在碳纳米管表面进行化学镀镍；其浓度配比分别为NiSO₄.6H₂O 20 g/L， NaH₂PO₂.H₂O 15 g/L，柠檬酸钾 2g/L；

（2）将铝合金熔融，然后静置一段时间，待基体铝液冷却至半固态；

（3）将表面经过镀镍处理的碳纳米管粉末加入到半固态的基体金属中，搅拌一定时间后升温至基体合金液相线温度以上,再搅拌一段时间；

（4）使用高能超声对反应熔体进行超声分散处理，促使增强相均匀分布；

（5）将超声处理后的熔体浇铸工件模具内，最后冷却成模。

2.一种超声场下高导热系数材料的制备方法，其特征在于：

（1）在碱性条件下，采用硫酸镍为镀液主要成分，柠檬酸钾(K₃C₆H₅O₇)为络合剂，次亚磷酸钠(NaH₂PO₂)为还原剂在碳纳米管表面进行化学镀镍；其浓度配比分别为NiSO₄.6H₂O 20 g/L， NaH₂PO₂.H₂O 15 g/L，柠檬酸钾 2g/L；

（2）将铝合金熔融，然后静置一段时间，待基体铝液冷却至半固态；

（3）将表面经过镀镍处理的碳纳米管粉末加入到半固态的基体金属中，搅拌一定时间后升温至基体合金液相线温度以上,再搅拌一段时间；

（4）使用高能超声对反应熔体进行超声分散处理，促使增强相均匀分布；

（5）将超声处理后的熔体浇铸工件模具内，最后冷却成模。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤（2）中熔体温度640℃-670℃。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（4）使用高能超声对反应熔体进行超声分散处理；是使变幅杆进入熔体深度为8mm，超声频率20kHz，超声功率分为0.8kW-1.8kW，作用时间150s-300s。