CN103374690A - 碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：首先将碳纳米管粉末与合金材料粉末按比例混合均匀，然后固结为块体坯料；然后在真空条件下将块体坯料加热到合金材料的超塑性成形温度，最后施加外力使坯料内形成流速梯度场，在流体剪切力的作用下，碳纳米管在合金材料内沿流线定向排列，冷却凝固后获得碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料。解决了碳纳米管/合金复合材料体系中碳纳米管定向排列的问题，能够更加充分发挥碳纳米管的性能。
Description
技术领域：
本发明属于碳纳米管/合金复合材料的制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法。
背景技术：
碳纳米管（CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家Iijima使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现的。由于碳纳米管独特的结构、极高的力学性能、优异的电学性质和化学稳定性而引起世界范围内的广泛关注，在复合材料、储氢、传感器、场发射等领域具有广阔的应用前景。研究发现，定向排列的碳纳米管表现出更优异的综合性能。如何制备结构完整、高纯度、准直、定向排列的碳纳米管成为制约其广泛应用的瓶颈，也是该领域内的热点和难点。
目前，实现碳纳米管在基体材料中的定向排列的方法主要有磁场法、电场法和机械法等。前两种方法分别利用碳纳米管的磁各向异性和电子结构各向异性的特性，使得碳纳米管在磁场和电场方向产生扭转。机械法原理是流速梯度场（层流场）中，流体对碳纳米管施加一个力偶，碳纳米管沿着流线排列。Ajayan在Adv.Mater.7（1995）489上报道，将碳纳米管与环氧树脂混合搅拌，然后切成薄片，碳纳米管沿着切割薄片的方向定向排列。L.Jin等人在Appl.Phys.Lett.73(1998)1197上报道，将碳纳米管与热塑性有机物混合，然后对其样品两端施加外力，使其沿轴向被拉伸，发现碳纳米管沿拉伸方向排列。乔宪武等人机械拉伸半凝固状态的碳纳米管/聚合物复合材料，碳纳米管在基体中沿同一方向排列，并且多次拉伸后碳纳米管在复合材料中定向排列程度更高、分散性更好。上述方法多用于碳纳米管/聚合物复合材料体系，复合材料或者为液态，或者为半流体状态。合金材料具有更高的导热系数，优良的机械性能，与碳纳米管制成的复合材料，潜在应用范围更为广泛。然而，由于合金材料的硬度高、机械强度大和熔点高等特点，复合材料中碳纳米管 的定向排列更加难以实现。
发明内容：
综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明提供了一种碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，它是将碳纳米管与合金材料粉末搅拌混合均匀，固结为块体坯料，然后在真空条件下，将块体坯料加热到合金材料的超塑性成形温度，最后施加外力使坯料内形成流速梯度场，在流体剪切力的作用下，碳纳米管沿流线定向排列，获得碳纳米管均匀分散并定向排列的碳纳米管/合金复合材料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，其中：包括以下工艺步骤：首先将碳纳米管粉末与合金材料粉末按比例混合均匀，然后固结为块体坯料；然后在真空条件下将块体坯料加热到合金材料的超塑性成形温度，最后施加外力使坯料内形成流速梯度场，在流体剪切力的作用下，碳纳米管在合金材料内沿流线定向排列，冷却凝固后获得碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的合金材料为具有超塑性成形能力的合金材料，包括非晶合金、铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢和单质金属。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的碳纳米管粉末为分散性良好的碳纳米管粉末。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的碳纳米管粉末为依次经过碱性溶液、酸性溶液以及去离子水反复冲洗后的碳纳米管粉末。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的真空条件为真空度达到10-3Pa以上。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的施加外力是指挤压力或拉伸力。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的施加外力为挤压力时，将混合均匀后的碳纳米管粉末与合金材料粉末装入挤压模具内，将挤压模具在真空条件下加热至合金材料的超塑性成形温度，然后施加挤压力形成流速梯度场，在流体剪切力的作用下，碳纳米管在合金材料内沿流线定向排列，冷却凝固后从挤压模具内取出复合材料，完成碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备。
本发明的有益效果为：
1、本发明是将碳纳米管与合金材料粉末搅拌混合均匀，固结为块体坯料，然后在真空条件下，将块体坯料加热到合金材料的超塑性成形温度，最后施加外力使坯料内形成流速梯度场，在流体剪切力的作用下，碳纳米管沿流线定向排列，获得碳纳米管均匀分散并定向排列的碳纳米管/合金复合材料。
2、本发明是在真空状态下将块状坯料加热至合金材料的超塑性成形温度，合金材料在超塑性成形温度范围内表现为低强度和高延伸率，并且其变形温度较低，对碳纳米管的损伤小。
3、本发明的碳纳米管粉末依次经过碱性溶液、酸性溶液以及去离子水反复冲洗，使碳纳米管粉末近中性，烘干后获得的碳纳米管粉末杂质少，分散性更好。
4、本发明的真空条件是指真空度达到10-3Pa以上，在此条件下，能够有效的避免合金材料在加热过程中被氧化，从而保证合金材料的品质与性能。
5、本发明利用应力场实现了碳纳米管在合金材料中的有序定向排列，能更加充分的发挥碳纳米管的性能。解决了碳纳米管/合金复合材料体系中碳纳米管定向排列的问题。本发明不仅限于碳纳米管，也可以移植到其他一维纳米线、晶须、金属或非金属纤维的定向排列。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一：
制作一种碳纳米管在非晶合金材料中定向排列的碳纳米管/非晶合金复合材料，非晶合金材料成分为Zr46.3Cu43.3Al8.9Si1.5(at%)，其超塑性成形温度范围为726K～796K，具体工艺步骤如下：先将碳纳米管粉末依次经过碱性溶液、酸性溶液以及去离子水反复冲洗，再将颗粒尺寸均匀的Zr46.3Cu43.3Al8.9Si1.5(at%)合金粉末与碳纳米管粉末按比例混合均匀后装入挤压模具内，该挤压模具由上模具和下模具组成，上模具为一圆柱体，下模具由两个同轴圆筒组成，第一圆筒内径大于第二圆筒内径，连接处为弧形过渡，第一圆筒内径与上模具外径尺寸相同，挤压比为4。
将装有Zr46.3Cu43.3Al8.9Si1.5(at%)合金与碳纳米管混合粉末的挤压模具放入真空热压烧结炉内，加热模具，真空热压烧结炉内的真空度为10-3Pa，温度升高至750K，保温200秒，此时挤压模具内的复合材料呈现流体状态。
设定挤压速率为2×10-1mm/s，利用液压杆推动上挤压模具挤压流体状态的复合材料，使复合材料通过下模具的第一圆筒注入到第二圆筒内，然后冷却到室温，最后打开挤压模具，取出复合材料，制得碳纳米管在非晶合金材料中定向排列的碳纳米管/非晶合金复合材料。
为进一步提高碳纳米管在非晶合金材料中定向排列的程度，可将上述碳纳米管/非晶合金复合材料再次装入同类异径挤压模具，重复上述工艺步骤，重复多次挤压可获得非晶合金材料中定向排列的程度更高的碳纳米管/非晶合金复合材料。
实施例二：
制作一种碳纳米管在铝合金材料中定向排列的碳纳米管/铝合金复合材料，铝合金为2024Al合金，2024铝合金的超塑性成形温度693K～733K，具体工艺步骤如下：先将碳纳米管粉末依次经过碱性溶液、酸性溶液以及去离子水反复冲洗，再将颗粒尺寸均匀的2024Al合金粉末与碳纳米管粉末按比例混合均匀后装入挤压模具内，挤压模具同实施例一中的挤压模具。
将装有2024Al合金粉末与碳纳米管粉末的挤压模具放入真空热压烧结炉内， 加热挤压模具，真空热压烧结炉内的真空度为10-3Pa，温度升高至700K，并保温，此时挤压模具内的复合材料呈现高塑性状态。
设定挤压速率为2mm/s，推动上挤压模具挤压流体状态的复合材料，使复合材料通过下模具的第一圆筒注入到第二圆筒内，然后冷却到室温，最后打开挤压模具，取出复合材料，制得碳纳米管在铝合金材料中定向排列的碳纳米管/铝合金复合材料。
同样，为进一步提高碳纳米管在非晶合金材料中定向排列的程度，可将上述碳纳米管/铝合金复合材料再次装入同类异径挤压模具，重复上述工艺步骤，重复多次挤压即可。
实施例三：
制作一种碳纳米管在镁合金材料中定向排列的碳纳米管/镁合金复合材料，镁合金为AZ31镁合金，AZ31镁合金超塑性成形温度范围为673K～713K，具体工艺步骤如下：先将碳纳米管粉末依次经过碱性溶液、酸性溶液以及去离子水反复冲洗，再将颗粒尺寸均匀的AZ31镁合金粉末与碳纳米管粉末按比例混合均匀后装入成型模具内。
将装有AZ31镁合金粉末与碳纳米管粉末的成型模具放入真空热压烧结炉内，加热成型模具，真空热压烧结炉内的真空度为10-3Pa，温度升高至693K，热固结得到复合材料块体，打开模具，取出复合材料。
将复合材料加工成尺寸为φ10×50mm的拉伸试样。利用高温蠕变试验机进行拉伸，拉伸试验温度673K～713K，保温使试样温度均匀，应变速率5×10-3s-1，获得碳纳米管在镁合金材料中定向排列的碳纳米管/镁合金复合材料。变换伸长率可有效改变碳纳米管在合金中定向排列的程度。
要说明的是，上述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其它修改，只要没超出本发明 技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。
Claims (7)
1.一种碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：首先将碳纳米管粉末与合金材料粉末按比例混合均匀，然后固结为块体坯料；然后在真空条件下将块体坯料加热到合金材料的超塑性成形温度，最后施加外力使坯料内形成流速梯度场，在流体剪切力的作用下，碳纳米管在合金材料内沿流线定向排列，冷却凝固后获得碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述的合金材料为具有超塑性成形能力的合金材料，包括非晶合金、铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢和单质金属。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管粉末为分散性良好的碳纳米管粉末。
4.根据权利要求1或3所述的碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管粉末为依次经过碱性溶液、酸性溶液以及去离子水反复冲洗后的碳纳米管粉末。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述的真空条件为真空度达到10-3Pa以上。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述的施加外力是指挤压力或拉伸力。
7.根据权利要求6所述的碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述的施加外力为挤压力时，将混合均匀后的碳纳米管粉末与合金材料粉末装入挤压模具内，将挤压模具在真空条件下加热至合金材料的超塑性成形温度，然后施加挤压力形成流速梯度场，在流体剪切力的作用下，碳纳米管在合金材料内沿流线定向排列，冷却凝固后从挤压模具内取出复合材料，完成碳纳米管定向排列的碳纳米管/合金复合材料的制备。
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