CN103317131A - 一种碳纳米管掺杂改性钨及其爆炸固结制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能源材料领域，涉及一种碳纳米管掺杂改性钨及其爆炸固结制备方法。其特征是以碳纳米管与钨粉为原料，先将分散在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的碳纳米管和超细钨粉混合，然后在碳纳米管/钨复合粉末的酒精悬浊液进行超声震荡分散，使碳纳米管均匀分散在钨粉体中；然后采用爆炸固结的方法制备碳纳米管掺杂改性钨块体复合材料（CNTs/W）。利用爆炸成型工艺将分散均匀的碳纳米管/钨粉体材料固结，可以在瞬间（十几微秒）完成固结，改性材料与基体来不及反应，保持碳纳米管的高强、高韧、高热导等优异特性，由于碳纳米管的掺杂改性，固结后钨块体材料相比纯钨块体断裂韧性及热导都有提高，其断裂韧性提高30%左右，热导率提高5%左右。
Description
技术领域：
本发明属于能源材料领域，特别提供了一种碳纳米管掺杂改性钨及其爆炸固结制备方法。
背景技术：
能源日益短缺是世界经济发展所要面临的主要问题，受控核聚变能被公认为是一种有望解决未来社会发展所面临的能源危机的新能源。在受控核聚变能的研究过程中，面向等离子体材料（Plasma facing material,简称PFM），PFM所处环境非常苛刻，要承受高能粒子（α粒子、H中子等的轰击）、高热流冲击和高温等离子体的辐照；面向等离子体材料的安全稳定性及可靠性是聚变堆能否安全稳定运行的核心问题之一，钨因其高熔点、高导热率、低溅射腐蚀速率、高自溅射阀值以及低蒸汽压和低的氚滞留等性能，从而被选用为国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experiment Reactor，ITER）中的PFMs。但是，钨也具有韧脆转变温度高、再结晶温度低以及抗瞬态热冲击差等缺点，限制了其应用。
碳纳米管（CNTs）具有高强度（约800GPa）、高弹性模量（约1.25TPa）、高比表面积、高电导率和热导率、低的热膨胀系数以及优异的耐强酸、强碱和高温稳定性等性能，是一种理性的改性材料。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种碳纳米管掺杂改性钨及其爆炸固结制备方法，通过爆炸在瞬间完成固结，改性材料与基体来不及反应，保持原有改性材料的特性，无性能损失；基体材料钨的断裂韧性、热导率等得 到有效改善。
本发明是通过以下的技术方案实现的：
（1）以碳纳米管与钨粉为原料，将分散在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)的碳纳米管和超细钨粉（粒度约为1～3μm）混合，然后在碳纳米管/钨复合粉末的酒精悬浊液进行超声震荡分散，使碳纳米管均匀分散在钨粉体中；
（2）为了避免采用常规的烧结方法时，烧结过程中碳纳米管与钨发生反应，破坏了碳纳米管的高强、高韧、高热导等优异性能，采用爆炸固结的方法制备碳纳米管掺杂改性钨块体复合材料（CNTs/W），首先将超声分散均匀的碳纳米管钨粉混合料，装入爆炸固结装置中，然后点燃试样周围的自蔓延预热粉，快速加热碳纳米管钨粉混合料，之后利用雷管引爆下面硝基甲烷液体炸药，冲击波通过水传压介质作用到样品上，利用冲击波的能量瞬间完成复合粉体的固结；余波通过细沙缓冲粉、氧化铝陶瓷余波吸收垫片、以及周围的不锈钢包套吸收。
其中自蔓延预热粉为TiO2、C、Al、Fe2O3；1：2：2：1混合物。
本发明利用爆炸成型工艺将分散均匀的碳纳米管/钨粉体材料固结后得到碳纳米管掺杂改性钨块体复合材料（CNTs/W），可以在瞬间（十几微秒）完成固结，改性材料与基体来不及反应，保持碳纳米管的高强、高韧、高热导等优异特性，由于碳纳米管的掺杂改性，固结后钨块体材料相比纯钨块体断裂韧性及热导都有提高，其断裂韧性提高30%左右，热导率提高5%左右。爆炸固结碳纳米管掺杂改性钨复合材料（CNTs/W）的端口形貌见图二，由于碳纳米管的桥联与拔出作用，钨的韧性得到改善。
附图说明：
图1碳纳米管掺杂改性钨爆炸固结装置示意图。
1-雷管 2-炸药 3-传压介质 4-自蔓延预热粉 5-试样 6-缓冲粉 7-包套8-余波吸收装置
图2碳纳米管掺杂改性钨断口形貌。
具体实施方式：
实施例1
1将单壁碳纳米管均匀分散在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中；
2将分散均匀的碳纳米管/N-甲基吡咯烷酮(NMP)与粒径1.5μm的超细钨粉混合后在酒精悬浊液进行超声震荡分散半小时，碳纳米管与钨粉质量比为1:99。
3超声分散均匀的碳纳米管钨粉混合料装入图一装置中部的5部分，然后点燃试样周围（装置4部分）的自蔓延预热粉（TiO2、C、Al、Fe2O3；1：2：2：1混合物）快速加热混合粉料，之后利用雷管（装置顶部1部分）引爆下面硝基甲烷液体炸药（装置2部分），冲击波通过水传压介质（装置3部分）作用到样品上，利用冲击波的能量瞬间完成复合粉体的固结；余波通过氧化铝陶瓷余波吸收垫片（装置8部分）、细沙缓冲粉（装置6部分）、以及不锈钢包套（装置7部分）吸收。
Claims (2)
1.一种碳纳米管掺杂改性钨及其爆炸固结制备方法，其特征在于：
（1）以碳纳米管与钨粉为原料，将分散在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的碳纳米管和超细钨粉混合，然后在碳纳米管/钨复合粉末的酒精悬浊液进行超声震荡分散，使碳纳米管均匀分散在钨粉体中；超细钨粉粒度为1～3μm；
（2）采用爆炸固结的方法制备碳纳米管掺杂改性钨块体复合材料即CNTs/W，首先将超声分散均匀的碳纳米管钨粉混合料，装入爆炸固结装置中，然后点燃试样周围的自蔓延预热粉，快速加热碳纳米管钨粉混合料，之后利用雷管引爆下面硝基甲烷液体炸药，冲击波通过水传压介质作用到样品上，利用冲击波的能量瞬间完成复合粉体的固结；余波通过细沙缓冲粉、氧化铝陶瓷余波吸收垫片、以及周围的不锈钢包套吸收。
2.根据权利要求1所述一种碳纳米管掺杂改性钨及其爆炸固结制备方法，其特征在于：其中自蔓延预热粉为TiO2、C、Al、Fe2O3；1：2：2：1混合物。
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