CN103602847A - 利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法。1）先制备单壁碳纳米管分散液；2）再加入硼化物前驱体，通过化学包覆法在碳纳米管表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，过滤和加热，再在150～250℃进行处理，得到硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末；3）然后添加到融熔铝液中均匀分散，静置后进行浇铸，再经挤压、后续热处理，即可得到碳纳米管改性铝材料。本发明有效改善了碳纳米管与铝液的相容性和两者间的密度差异，提高了碳纳米管在铝液中的分散程度。本发明充分发挥了单壁碳纳米管对铝基体的改性增强作用，大幅提高了铝材料的导电性能和机械强度。

Description

利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法
技术领域
本发明涉及导电材料制备方法，具体地指一种利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法。 
背景技术
铝及其合金是电工行业应用最广泛的导电材料之一，然而与铜相比，其导电水平不高，特别是当添加合金元素强化后，其导电率更低，每年因电阻所造成的电能损失惊人，因此如何在强化铝材料的同时提高其导电性能已成为科研工作者研究的热点。 
碳纳米管由于其独特的一维管状结构和优异的力学和电学性能，被认为极具应用潜力的纳米改性材料。采用碳纳米管改性的铝基复合材料在温度低于80K时呈现出了超导特性，接近于零电阻（Xu C L,Wei B Q,Ma R Z et al.Carbon,1999,37(5):855-858.）。 
然而针对碳纳米管改性金属材料的研究，目前仍处在积极探索之中。这一方面是由于碳纳米管的比表面大，管之间团聚现象严重，很难在金属基体中均匀分散；另一方面，碳纳米管和金属基体的性质存在巨大差异，碳纳米管密度小，极易在金属基体中出现偏析，且碳纳米管表面活性较低，与金属基体的浸润性差。 
因此，在实现碳纳米管改性铝材料之前，必须解决碳纳米管在铝基体中的有效分散以及两者之间良好结合等难题。 
发明内容
本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法。 
为实现上述目的，本发明利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法，包括以下步骤： 
1）将单壁碳纳米管置于无水乙醇中，加入十二烷基苯环酸钠，在超声波辅助下使碳纳米管完全分散均匀，得到单壁碳纳米管分散液； 
2）向上述单壁碳纳米管分散液中加入硼化物前驱体，通过化学包覆法在碳纳米管表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，过滤和加热挥发出除乙醇溶剂，再对所得到的混合粉末在150～250℃进行脱水分解，得到硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末； 
3）将上述包覆处理后的单壁碳纳米管粉末添加到融熔铝液中，使之均匀分散，并静置后进行浇铸，再经挤压、后续热处理，即可得到碳纳米管改性铝材料。 
步骤2）中，所述硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末中硼化物含量为2～3wt%。 
步骤2）中，所述硼化物前驱体为硼酸三丁酯、氟硼酸钠、硼酸或氟硼酸。 
步骤3）中，所述包覆处理后的单壁碳纳米管粉末的添加量为融熔铝液重量的0.5～2%。 
步骤3）中，静置时间为15～30min，挤压的条件为：挤压比10:1～20:1、压力150～200t，后续热处理的条件为200～300℃、保温2～3h。 
本发明的有益效果在于：本发明采用有利于降低铝中微量杂质元素的硼化物对单壁碳纳米管进行包覆改性，硼化物致密均匀地包覆在碳纳米管表面，再以此硼化物包覆的单壁碳纳米管作为纳米改性物添加到铝液中，有效改善了碳纳米管与铝液的相容性和两者间的密度差异，提高了碳纳米管在铝液中的分散程度。 
而且，采用硼化物包覆的单壁碳纳米管对铝材料进行增强改性，碳纳米管存在于晶粒间起着桥接晶界和阻止位错移动的作用， 避免了因碳纳米管改性所需引入的硼元素对铝材料的导电性能的影响，充分发挥了单壁碳纳米管对铝基体的改性增强作用，大幅提高了铝材料的导电性能和机械强度。 
附图说明
图1为碳纳米管改性铝材料与纯铝材料的导电率对比图。 
图2为碳纳米管改性铝材料和纯铝材料的拉伸曲线图。 
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但它们不对本发明构成限定。 
实施例1 
1）将单壁碳纳米管置于无水乙醇中，加入十二烷基苯环酸钠作为表面活性剂，在超声波辅助下碳纳米管完全分散均匀，得到单壁碳纳米管分散液； 
2）向上述单壁碳纳米管分散液中加入硼酸，通过化学包覆法在碳纳米管表面形成均匀的硼化物层；待反应完毕后，抽滤除去乙醇溶剂并置于真空干燥箱中烘干；最后将混合粉末置于200℃的马弗炉中使硼化物进一步脱水分解，得到硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末，硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末中硼化物含量为2wt%； 
3）于真空熔炼炉中，向熔融铝液中添加上述包覆处理后的单壁碳纳米管粉末，包覆处理后的单壁碳纳米管粉末的添加量为融熔铝液重量的1%。通过机械搅拌和磁力搅拌，使之均匀分散于铝液中后，静置15min，再进行浇铸；最后，单壁碳纳米管-铝浇铸体经挤压比10:1、压力150t下挤压后，再在300℃保温2h，得到碳纳米管改性铝复合材料。 
实施例2 
1）将单壁碳纳米管置于无水乙醇中，加入十二烷基苯环酸钠 作为表面活性剂，在超声波辅助下碳纳米管完全分散均匀，得到单壁碳纳米管分散液； 
2）向上述单壁碳纳米管分散液中加入硼酸三丁酯，通过化学包覆法在碳纳米管表面形成均匀的硼化物层；待反应完毕后，抽滤除去乙醇溶剂并置于真空干燥箱中烘干；最后将混合粉末置于180℃的马弗炉中使硼化物进一步脱水分解，得到硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末，硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末中硼化物含量为2.5wt%； 
3）于真空熔炼炉中，向熔融铝液中添加上述包覆处理后的单壁碳纳米管粉末，包覆处理后的单壁碳纳米管粉末的添加量为融熔铝液重量的0.5%。通过机械搅拌和磁力搅拌，使之均匀分散于铝液中后，静置20min，再进行浇铸；最后，单壁碳纳米管-铝浇铸体经挤压比15:1、压力180t下挤压后，再在250℃保温2.5h，得到碳纳米管改性铝复合材料。 
实施例3 
1）将单壁碳纳米管置于无水乙醇中，加入十二烷基苯环酸钠作为表面活性剂，在超声波辅助下碳纳米管完全分散均匀，得到单壁碳纳米管分散液； 
2）向上述单壁碳纳米管分散液中加入氟硼酸钠，通过化学包覆法在碳纳米管表面形成均匀的硼化物层；待反应完毕后，抽滤除去乙醇溶剂并置于真空干燥箱中烘干；最后将混合粉末置于190℃的马弗炉中使硼化物进一步脱水分解，得到硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末，硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末中硼化物含量为3wt%； 
3）于真空熔炼炉中，向熔融铝液中添加上述包覆处理后的单壁碳纳米管粉末，包覆处理后的单壁碳纳米管粉末的添加量为融熔铝液重量的2%。通过机械搅拌和磁力搅拌，使之均匀分散于铝液中后，静置25min，再进行浇铸；最后，单壁碳纳米管-铝浇铸体经 挤压比20:1、压力150t下挤压后，再在250℃保温2h，得到碳纳米管改性铝复合材料。 
实施例4 
1）将单壁碳纳米管置于无水乙醇中，加入十二烷基苯环酸钠作为表面活性剂，在超声波辅助下碳纳米管完全分散均匀，得到单壁碳纳米管分散液； 
2）向上述单壁碳纳米管分散液中加入氟硼酸，通过化学包覆法在碳纳米管表面形成均匀的硼化物层；待反应完毕后，抽滤除去乙醇溶剂并置于真空干燥箱中烘干；最后将混合粉末置于200℃的马弗炉中使硼化物进一步脱水分解，得到硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末，硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末中硼化物含量为3wt%； 
3）于真空熔炼炉中，向熔融铝液中添加上述包覆处理后的单壁碳纳米管粉末，包覆处理后的单壁碳纳米管粉末的添加量为融熔铝液重量的2%。通过机械搅拌和磁力搅拌，使之均匀分散于铝液中后，静置30min，再进行浇铸；最后，单壁碳纳米管-铝浇铸体经挤压比10:1、压力150t下挤压后，再在300℃保温2h，得到碳纳米管改性铝复合材料。 
对比实验 
用德国Fischer导电率测试仪对碳纳米管改性铝材料进行导电性能测试，并与纯铝材料的导电率进行对比，如图1所示。结果表明：相对于纯铝材料，本发明制备的碳纳米管改性铝材料的导电率更高，而且通过本发明制备的碳纳米管改性铝材料的导电率可达到62.5%IACS。 
将碳纳米管改性铝材料经过机械加工制成标准的金属拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸试验，每组试样测3根，取平均值。将所得结果与纯铝材料的抗拉强度进行对比，如图2所示。从图2 上可以看出，碳纳米管改性铝材料的抗拉强度比纯铝材料提高了近1倍。 

Claims (5)

1.一种利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法，其特征在于：
1）将单壁碳纳米管置于无水乙醇中，加入十二烷基苯环酸钠，在超声波辅助下使碳纳米管完全分散均匀，得到单壁碳纳米管分散液；
2）向上述单壁碳纳米管分散液中加入硼化物前驱体，通过化学包覆法在碳纳米管表面形成均匀的硼化物层，待反应结束后，过滤和加热挥发出除乙醇溶剂，再对所得到的混合粉末在150～250℃进行脱水分解，得到硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末；
3）将上述包覆处理后的单壁碳纳米管粉末添加到融熔铝液中，使之均匀分散，并静置后进行浇铸，再经挤压、后续热处理，即可得到碳纳米管改性铝材料。
2.根据权利要求1所述利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法，其特征在于：步骤2）中，所述硼化物包覆的单壁碳纳米管粉末中硼化物含量为2～3wt%。
3.根据权利要求1或2所述利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法，其特征在于：步骤2）中，所述硼化物前驱体为硼酸三丁酯、氟硼酸钠、硼酸或氟硼酸。
4.根据权利要求1或2所述利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法，其特征在于：步骤3）中，所述包覆处理后的单壁碳纳米管粉末的添加量为融熔铝液重量的0.5～2%。
5.根据权利要求1或2所述利用硼化物包覆的单壁碳纳米管制备碳纳米管改性铝材料的方法，其特征在于：步骤3）中，静置时间为15～30min，挤压的条件为：挤压比10:1～20:1、压力150～200t，后续热处理的条件为200～300℃、保温2～3h。
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