CN104745976A - 碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，属于泡沫铝基复合材料的制备技术。该方法包括以下过程：采用化学气相沉积法得到碳纳米管均匀分散在铝粉表面的复合粉末，进而通过机械球磨将碳纳米管嵌入铝基体内部的同时控制复合粉末的粒径在150μm以下；将球磨后得到的复合粉末和尿素颗粒进行混合，并加入少量无水乙醇提高混合的均匀性；将混合物冷压成型，在80℃的热水中浸泡5小时以上，干燥后在氩气保护的气氛中于620～660℃烧结2～5小时，得到碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。本发明的优点，可以实现对泡沫铝基复合材料的孔径、孔形状、孔隙率的良好控制，并且能够直接成型复杂零件；增强相碳纳米管呈三维网状在铝泡沫壁均匀穿插分布，所得材料性能优良稳定。
Description
技术领域
本发明属于泡沫铝基复合材料制备技术领域，特别是涉及一种以碳纳米管作为增强相，从而制备这种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法。
背景技术
泡沫铝是由气泡和铝质隔膜组成的一种多孔金属，具有质轻、高比强度、阻尼减震、吸能绝热等优点，作为一种结构功能一体化的新型材料，已经越来越多地应用于航空航天、高速列车、轮船、机械、建筑等领域。泡沫铝基复合材料是在铝基体中加入颗粒或纤维增强相，经过发泡制得的轻质多孔材料。泡沫铝基复合材料在保留泡沫铝多种优点的同时，能够充分发挥增强相的性能优势，从而可使材料的综合性能得到进一步提升。中国专利公开号CN1075562C中公开了一种采用TiH2为发泡剂，熔体发泡制备碳化硅颗粒增强泡沫铝基复合材料的方法。中国专利公开号CN 101876017B中公开了一种采用CaCO3为发泡剂，粉体发泡制备纳米陶瓷颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法。
碳纳米管以其优异的力学、物理性能，以及低的密度而被视为是复合材料理想的增强相。然而，以碳纳米管为增强相制备泡沫铝基复合材料目前还鲜有研究和报道。这主要是由于碳纳米管具有极大的比表面积，并且与铝的密度、热膨胀系数差异较大，从而导致其难以被均匀地分散在基体内，由此制约了其作为增强相的应用和发展。另一方面，泡沫铝目前主要的制备方法有直接吹气法、熔体发泡法、粉体发泡法等。虽然这些方法已经逐步应用于商业化生产，但由于发泡过程难以精确控制，因此所得成品存在泡沫大小、分布不均，性能稳定性差等问题；此外，这些传统制备方法对于新型纳米增强相(碳纳米管)的加入并没有提出针对性且合理的制备方案。
综上，如何采用简单而稳定的制备工艺，在使碳纳米管能够均匀分散在泡沫铝基体中的同时，还可实现对泡沫铝基体的孔径、孔形状和孔隙率的良好控制，是发展高性能碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的关键。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，该方法制备工艺简单稳定，制备所得碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的性能优异。
为了达到上述目的，本发明提供的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)将六水合硝酸钴和铝粉按照0.02～0.2:1的质量比加入到无水乙醇中，其中无水乙醇的用量为铝粉质量的5～40倍，在60℃下恒温持续搅拌，直至无水乙醇挥发完全；将得到的粉末干燥后置于管式炉中，在氩气的保护下升温至450℃，关闭氩气并以100～400mL/min的流量通入氢气，在450℃下保持2小时；随后关闭氢气，在氩气保护下继续升温至600℃，通入乙炔和氩气的混合气反应5～90分钟，其中乙炔和氩气的体积比为1:6～16；最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到碳纳米管均匀分散在铝粉表面的复合粉末；
2)将步骤1)得到的碳纳米管和铝的复合粉末与不锈钢球一起置入球磨罐中，其中复合粉末和不锈钢球的质量比为1:10～20，之后将球磨罐抽真空，并充入氩气作为保护气体，在300～500转/分钟的转速下球磨0.5～6小时；
3)将步骤2)球磨后得到的复合粉末和粒径为0.5～2.5mm的球形尿素颗粒进行混合而形成混合物，其中尿素颗粒的重量占混合物总量的33～75％；在混合过程中加入少量无水乙醇以提高混合的均匀性，无水乙醇加入量为每10g混合物中添加1～2mL；随后将混合物在常温及300～600MPa的压力下压制成型，保压时间2～5分钟，得到预制块；
4)将步骤3)得到的预制块置于80℃的热水中浸泡5小时以上，干燥后置于管式炉中，以200～400mL/min的流速持续通入氩气作为保护气体，以5～10℃/min的速率升温至620～660℃，保温2～5小时，最后随炉冷却至室温，得到碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。
所述的步骤1)得到的碳纳米管和铝的复合粉末中碳纳米管重量占总重量的0.5～6％。
所述的步骤2)球磨后得到的碳纳米管和铝粉的复合粉末粒径在150μm以下。
本发明提供的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法的优点表现如下：
(1)可以实现对泡沫铝基复合材料的孔径、孔形状、孔隙率的良好控制，并且能够直接成型复杂零件；(2)尿素颗粒作为造孔剂来源广泛、价格便宜，水解及高温分解后无任何杂质残留，不会污染基体；(3)泡沫复合材料中碳纳米管呈三维网状在铝泡沫壁均匀穿插分布，并与孔壁交互作用，有利于复合材料的力学和功能性能的提升。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的碳纳米管均匀分散在铝粉表面的复合粉末的扫描电镜照片；
图2为本发明实施例1制得的球磨后碳纳米管和铝的复合粉末的低倍扫描电镜照片；
图3为本发明实施例1制得的球磨后碳纳米管和铝的复合粉末的高倍扫描电镜照片；
图4为本发明实施例1制得的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的扫描电镜照片；
图5为本发明实施例1制得的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的压缩曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
将0.741g六水合硝酸钴和14.85g铝粉加入到200mL无水乙醇中，在60℃下恒温持续搅拌，直至无水乙醇挥发完全；将得到的粉末干燥后置于管式炉恒温区，在氩气的保护下升温至450℃，关闭氩气并以200mL/min的流量通入氢气，在450℃保持2小时；随后关闭氢气，在氩气保护下继续升温至600℃，通入乙炔和氩气的混合气(乙炔流速20mL/min，氩气流速200mL/min)进行催化裂解反应30分钟，最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到碳纳米管含量为3％的碳纳米管和铝的复合粉末，其扫描电镜照片如图1所示。将上述得到的复合粉末与150g不锈钢球放入球磨罐中，进行抽真空后充入氩气，然后放置在行星式球磨机上以400转/分钟的转速球磨2小时，所得到的复合粉末形貌如图2所示，在其高倍扫描电镜照片(图3)中可见碳纳米管已经被均匀嵌入铝粉内部。随后将球磨后得到的6.78g复合粉末与5.03g粒径为1.6～2mm的球形尿素颗粒混合，混合过程中加入3mL的无水乙醇。将上述混合物在500MPa的压力下保压4min冷压成型，得到尺寸为Φ20mm×20mm的预制块。将预制块在80℃的热水中浸泡5小时以上，干燥后置于管式炉中，以300mL/min的流速持续通入氩气保护气，以10℃/min的速率升温至650℃，保温3小时，最后随炉冷却至室温，得到孔隙率为60％、碳纳米管含量为3％的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料，其形貌如图4所示，可见泡沫孔洞呈规则的球形，泡沫壁表面光滑缺陷少。
为了验证本发明的效果，本发明人对由上述实施例1制备出的3％碳纳米管增强泡沫铝基复合材料进行了准静态压缩性能测试，并与相同孔隙率的常规商业泡沫铝性能进行了对比，结果如图5所示。可见本发明制备的泡沫铝基复合材料的屈服平台区相比泡沫铝具有显著的提高，证实了本发明制备的泡沫材料的吸能性能优异。
实施例2
具体方法和步骤同实施例1，不同的条件是：将球磨后得到的8.47g复合粉末与4.19g粒径为1.6～2mm的球形尿素颗粒混合，最终得到孔隙率为50％、碳纳米管含量为3％的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。
实施例3
具体方法和步骤同实施例1，不同的条件是：将球磨后得到的5.08g复合粉末与5.87g粒径为1.6～2mm的球形尿素颗粒混合，最终得到孔隙率为70％、碳纳米管含量为3％的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。
实施例4
将0.988g六水合硝酸钴和19.8g铝粉加入到200mL无水乙醇中，在60℃下恒温持续搅拌，直至无水乙醇挥发完全；将得到的粉末干燥后置于管式炉恒温区，在氩气的保护下升温至450℃，关闭氩气并以100mL/min的流量通入氢气，在450℃下保持2小时；随后关闭氢气，在氩气保护下继续升温至600℃，通入乙炔和氩气的混合气(乙炔流速15mL/min，氩气流速200mL/min)进行催化裂解反应10分钟，最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到碳纳米管含量为1.1％的碳纳米管和铝的复合粉末。将上述得到的复合粉末与200g不锈钢球放入球磨罐中，进行抽真空后充入氩气，然后放置在行星式球磨机上并以300转/分钟的转速球磨1.5小时。随后将球磨后得到的7.62g复合粉末与8.81g粒径为0.8～1.2mm的球形尿素颗粒混合，混合过程中加入4mL的无水乙醇。将混合物在室温和500MPa的压力下保压5min成型，得到尺寸为Φ20mm×30mm的预制块。将预制块在80℃的热水中浸泡5小时以上，干燥后置于管式炉中，以400mL/min的流速持续通入氩气保护气，以5℃/min的速率升温至640℃，保温5小时，最后随炉冷却至室温，得到孔隙率为70％、碳纳米管含量为1.1％的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。
实施例5
将0.988g六水合硝酸钴和9.9g铝粉加入到200mL无水乙醇中，在60℃下恒温持续搅拌，直至无水乙醇挥发完全；将上述得到的粉末干燥后置于管式炉恒温区，在氩气的保护下升温至450℃，关闭氩气并以300mL/min的流量通入氢气，在450℃下保持2小时；随后关闭氢气，在氩气保护下继续升温至600℃，通入乙炔和氩气的混合气(乙炔流速20mL/min，氩气流速200mL/min)进行催化裂解反应75分钟，最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到碳纳米管含量为5.8％的碳纳米管和铝的复合粉末。将上述得到的复合粉末与200g不锈钢球放入球磨罐中，进行抽真空后充入氩气，然后放置在行星式球磨机上并以500转/分钟的转速球磨3小时。随后将球磨后得到的6.78g复合粉末与5.03g粒径为2.0～2.5mm的球形尿素颗粒混合，混合过程中加入3mL的无水乙醇。将混合物在室温和500MPa的压力下保压5min成型，得到尺寸为Φ20mm×20mm的预制块。将预制块在80℃的热水中浸泡5小时以上，干燥后置于管式炉中，以300mL/min的流速持续通入氩气保护气，以10℃/min的速率升温至650℃，保温3小时，最后随炉冷却至室温，得到孔隙率为60％、碳纳米管含量为5.8％的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。
以上仅在说明本发明的技术发明，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (3)
1.一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)将六水合硝酸钴和铝粉按照0.02～0.2:1的质量比加入到无水乙醇中，其中无水乙醇的用量为铝粉质量的5～40倍，在60℃下恒温持续搅拌，直至无水乙醇挥发完全；将得到的粉末干燥后置于管式炉中，在氩气的保护下升温至450℃，关闭氩气并以100～400mL/min的流量通入氢气，在450℃下保持2小时；随后关闭氢气，在氩气保护下继续升温至600℃，通入乙炔和氩气的混合气反应5～90分钟，其中乙炔和氩气的体积比为1:6～16；最后关闭混合气，在氩气的保护下冷却至室温，得到碳纳米管均匀分散在铝粉表面的复合粉末；
2)将步骤1)得到的碳纳米管和铝的复合粉末与不锈钢球一起置入球磨罐中，其中复合粉末和不锈钢球的质量比为1:10～20，之后将球磨罐抽真空，并充入氩气作为保护气体，在300～500转/分钟的转速下球磨0.5～6小时；
3)将步骤2)球磨后得到的复合粉末和粒径为0.5～2.5mm的球形尿素颗粒进行混合而形成混合物，其中尿素颗粒的重量占混合物总量的33～75％；在混合过程中加入少量无水乙醇以提高混合的均匀性，无水乙醇加入量为每10g混合物中添加1～2mL；随后将混合物在常温及300～600MPa的压力下压制成型，保压时间2～5分钟，得到预制块；
4)将步骤3)得到的预制块置于80℃的热水中浸泡5小时以上，干燥后置于管式炉中，以200～400mL/min的流速持续通入氩气作为保护气体，以5～10℃/min的速率升温至620～660℃，保温2～5小时，最后随炉冷却至室温，得到碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)得到的碳纳米管和铝的复合粉末中碳纳米管重量占总重量的0.5～6％。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤2)球磨后得到的碳纳米管和铝粉的复合粉末粒径在150μm以下。
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