CN103352164A

CN103352164A - 利用预制块制备碳纳米管铸钢复合材料的方法

Info

Publication number: CN103352164A
Application number: CN2013102539820A
Authority: CN
Inventors: 周泽华; 辛勇; 曾效舒
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-10-16

Abstract

一种利用预制块制备碳纳米管铸钢复合材料的方法，按质量百分比计，原料配方为：碳纳米管0.01-4%，铁粉0.01-10%，硅酸钠粘结剂0.01-1%，硅铁0.01-0.3%，锰铁0.01-0.3%，铝0.01-0.3%，钢84-99%;加入铁粉后在球磨机中与添加有少量粘结剂的碳纳米管混合，取出混合物，冷压成型，形成ф20mm的圆饼薄块，烘干焙烧后粉碎至颗粒度为2mm的颗粒放入浇包内。本发明与粉末冶金进行复合的方法相比，本发明解决了将碳纳米管加入熔融钢水的问题。

Description

利用预制块制备碳纳米管铸钢复合材料的方法

技术领域

本发明属于制备金属与轻质碳材料复合材料领域，涉及一种利用预制块制备碳纳米管铸钢复合材料的方法。

背景技术

钢是重要的工业原料，高强度高韧性的同时比强度又高的钢材一直是钢材料研发者的目标，钢材性能的提高无论是对国家和世界都有着重要的意义。在过去的100多年中，人们对钢进行了全方位的研究，金属基复合材料的出现，给人们一条新的思路对其进行研究。

高熔点金属的碳纳米管复合材料至今较少被研究。在已有的研究中，碳纳米管在金属中的应用以低熔点金属为主，一般是采用粉末冶金方法进行复合材料的制备。采用熔融体加入的方法制备碳纳米管与高熔点金属复合材料难度大，未见过相关报道。

钢的熔点达到1500^oC，钢液比重很大，直接加入轻质碳纳米管易上浮，很难有效进行添加和分散。这在低熔点金属中可以通过搅拌铸造法完成，而在高熔点大比重金属中几乎不可能采用这一方法。种种难处，限制了高熔点金属的碳纳米管复合材料的研究。在之前的文献检索中，只找到碳纳米管与铝、镁、铜、锌、镍的复合材料研究，研究碳纳米管与钢的复合材料的文献未见。采用熔融加入法研究碳纳米管和高温金属制备复合材料至今研究极少，而其实际操作较之粉末冶金或热挤压法却更简单，成本低，周期短，不需要对现有的浇注设备做大的改进，所以更具工业意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种将经预混合、成球、冷压而成碳纳米管预制块，将该预制块加入钢水中，从而制得碳纳米管铸钢复合材料的方法。

本发明所采取的技术方案是：选取铁粉，然后在球磨机中与添加有少量粘结剂的碳纳米管混合，取出混合物，冷压成型，形成ф20mm的圆饼薄块，烘干焙烧后粉碎至颗粒度为2mm的颗粒放入浇包内。

使用铸造方法，融化铸钢，在浇出钢水的同时加入碳管预制块，制得碳纳米管铸钢复合材料。高温钢水与碳纳米管结合力较好，同时避免碳纳米管被氧化。检测表明，碳纳米管没有被浇注高温破坏，能够发挥其增强作用。

本发明工艺步骤如下：

1、以质量百分比计，按下列配方称取原料：碳纳米管0.01-4%，铁粉0.01-10%，硅酸钠粘结剂0.01-1%，硅铁0.01-0.3%，锰铁0.01-0.3%，铝0.01-0.3%，钢84-99%;

2、选取颗粒度200目以下的铁粉，加入粘结剂，与碳纳米管粉料在球磨机中预搅拌成混合物，混合球磨时间1小时以上，使之混合充分；

3、将混合物取出，送入压片机中，冷压压片成ф20mm的圆饼薄块，将圆饼送入马弗炉中焙烧，温度为400℃，焙烧时间为4小时；

4、烘干结晶水后粉碎至颗粒度为2mm的颗粒放入浇包内，将钢原料放入中频炉中熔炼，融化后加温至1600^oC，顺序加入脱氧剂硅铁，锰铁，铝，之后降温至1550^oC，将钢水浇入放置了预制块的浇包中，停留30秒后浇注到铸型内，得到复合材料产品。

本发明的有益效果是：与粉末冶金进行复合的方法相比，本发明解决了将碳纳米管加入熔融钢水的问题，并具有以下特点：

（1）钢作为重要的工业材料，市场广阔，以其为基体低成本制备复合材料具有重大意义。

（2）采用熔融加入法研究碳纳米管和高温金属制备复合材料，其实际操作较之粉末冶金或热挤压法更简单，周期短。

（3）在原有的浇注设备上生产，不需要对现有的浇注设备做大的改动，所以更具工业意义。

附图说明

图1为复合材料锯屑扫描电镜图；

图中：左上角较为平坦的100平方微米区域Ⅰ内能够找到20多个碳纳米管，这些碳纳米管在该视场内分布较均匀；由图1可见，利用预制块制备碳纳米管铸钢复合材料的方法将碳纳米管加入到了制备的复合材料中；

图2为图1中标示为“CNT 1”的碳纳米管的放大图；

从图中可以看到，该碳管直径约为50纳米，已经看不到中空，显示该碳管被钢液浸润。在该碳管根部形成一个更大的实心圆柱，直径约为150纳米，显示钢水能够在碳管周围生长，形成镶嵌在钢基体内的微小“碳管钢筋”。这起到加强钢基体的作用。

具体实施方式

实施例1：

原料配比为（质量百分比）：碳纳米管2%，铁粉10%，钢料86.1%, 硅酸钠粘结剂1%，硅铁0.3%，锰铁0.3%，铝0.3%。

碳纳米管和铁粉在球磨机中混合球磨成散粒状，在压片机中制成ф20mm的圆饼薄块，将圆饼放入烘干炉中在400℃预烧4小时，粉碎成颗粒度为2mm的颗粒，再放入浇包内，待钢水浇入浇包后停留30秒，浇入铸型中。制得复合材料。

实施例2：

原料配比为（质量百分比）：碳纳米管0.2%，铁粉3%，钢料95.6%,硅酸钠粘结剂0.3%，硅铁0.3%，锰铁0.3%，铝0.3%。

实施例3：

原料配比为（质量百分比）：碳纳米管1%，铁粉10%，钢料87.1%,硅酸钠粘结剂1%，硅铁0.3%，锰铁0.3%，铝0.3%。

混合料经球磨，冷压制成ф5-20mm的ф20mm的圆饼薄块，将圆饼放入烘干炉中在400℃预烧4小时，粉碎成颗粒度为2mm的颗粒，再放入浇包内，待钢水浇入浇包后停留30秒，浇入铸型中。制得复合材料。

Claims

1.一种利用预制块制备碳纳米管铸钢复合材料的方法，其特征是：

（1）以质量百分比计，按下列配方称取原料：碳纳米管0.01-4%，铁粉0.01-10%，硅酸钠粘结剂0.01-1%，硅铁0.01-0.3%，锰铁0.01-0.3%，铝0.01-0.3%，钢84-99%;

（2）选取颗粒度200目以下的铁粉，加入粘结剂，与碳纳米管粉料在球磨机中预搅拌成混合物，混合球磨时间1小时以上，使之混合充分；

（3）将混合物取出，送入压片机中，冷压压片成ф20mm的圆饼薄块，将圆饼送入马弗炉中焙烧，温度为400℃，焙烧时间为4小时；

（4）烘干结晶水后粉碎至颗粒度为2mm的颗粒放入浇包内，将钢原料放入中频炉中熔炼，融化后加温至1600^oC，顺序加入脱氧剂硅铁，锰铁，铝，之后降温至1550^oC，将钢水浇入放置了预制块的浇包中，停留30秒后浇注到铸型内，得到复合材料产品。