CN104805432A - 一种金属/纳米碳复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属/纳米碳复合材料的制备方法，该方法将金属胚料压延成箔，再将纳米碳浆料涂于金属箔上，经过干燥，叠片或卷绕，反复三维热轧，即得金属/纳米碳均匀混合的复合材料。本发明有效地解决了纳米碳材料在金属基体中难以均匀分散的问题，具有工艺简单，可控性好，易规模化生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属基纳米碳复合材料合成领域，尤其是涉及金属/碳纳米管、金属/富勒烯、金属/石墨烯复合材料、金属/氧化石墨烯的制备方法。
背景技术
纳米相增强金属基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，具有密度小、耐腐蚀和加工性能好等优点。碳纳米管作为一种一维纳米增强、增韧材料，可以极大的提高金属的强度、硬度、热稳定性、耐腐蚀性、导电、导热性能以及摩擦性能。目前通常制备金属/纳米碳复合材料的方法主要有：热压法、真空吸铸法、粉末冶金烧结法以及表面沉积法。但是这些方法对于制备金属基/纳米碳复合材料均有较大的局限性：1)纳米碳与金属粉共磨时，由于密度的不同，在粉体混合过程中，会导致纳米碳不能很好的在金属基体中分散，无法在合金中实现三维均匀分布；2)纳米碳与金属在热熔融加工过程中，纳米碳表面较大的张力，与熔融金属不浸润，无法与金属基体良好的结合，从而不能有效的提高金属合金的性能。
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明由此而来。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术中一种金属/纳米碳复合材料的制备过程中存在的纳米碳与金属基体分散性不好、结合性差等问题，提供一种纳米碳和金属材料结合力强的制备方法。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：一种金属/纳米碳复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)采用金属胚料经过压延得到金属箔；
(2)将纳米碳制备成浆料，利用涂布机涂覆至金属箔上并进行干燥处理；
(3)利用叠片机或卷绕机，将涂有纳米碳的金属箔进折叠或卷绕；
(4)在一定温度下，对步骤(3)所得材料进行三维反复热轧，使得纳米碳三维均匀分布于金属材料中，获得金属/纳米碳复合材料。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(1)中的金属箔厚度为0.1μm-1000μm。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(2)中，纳米碳涂层厚度为0.01-100μm。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(2)中，将纳米碳在水、醇类、酮类易挥发液体中均匀分散液得到浆料。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(4)中，所述三维反复热轧为对于涂有纳米碳的金属箔进行叠片后，沿垂直堆垛箔面的二维方向半固态压延，然后叠片、卷绕，沿轴方向进行轧制，然后按照此工序反复进行N次，N≥2。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(4)中，所述热轧温度范围为300-1700℃，优选为金属的半固态温度范围。
本发明的一优选技术方案中，所述步骤(4)中，在惰性保护气下进行三维反复热轧。
本发明的一优选技术方案中，所述纳米碳材料加入量为金属/纳米碳复合材料中总质量的0.01％-20wt％。
本发明的一优选技术方案中，金属选自Al、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn、Ti、Ni中一种或几种合金。
本发明的一优选技术方案中，所述纳米碳选自碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或两种以上的组合。
本发明的另一方面在于提供一种前述方法制备得到的金属/纳米碳复合材料。
本发明的一优选技术方案中，金属/纳米碳复合材料中的纳米碳含量为0.01％-20wt％。
本发明的一优选技术方案中，金属/纳米碳复合材料中的纳米碳选自碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或两种以上的组合。
本发明中，将纳米碳在水、醇类或酮类易挥发溶剂中均匀分散液得到浆料，其中的醇类溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇；所述的酮类溶剂包括但不限于丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮等。所述的溶液中可以加入分散剂、稳定剂以增强浆料中纳米碳的分散性及稳定性。
本发明提出一种金属/纳米碳复合材料的制备方法，该方法将金属胚料压延成金属箔，用纳米碳浆料涂覆在金属箔表面，经过干燥、叠片或卷绕，反复三维热轧得到金属/纳米碳复合材料。在涂覆过程中，经过预分散的纳米碳在金属箔上分布均匀，二者比例可控；通过叠片将金属/纳米碳复合箔复数层叠。
在热轧过程中，温度控制在金属的半固态温度，即使得金属在半固体状态下对初级复合材料进行延轧，以此，夹层中纳米碳与基材浸润性好，热压时，能够逐渐压入上、下层的金属箔基材中，上、下层箔基材会紧密结合、互相渗透，再经过叠片、卷绕、三维反复热轧，形成纳米碳在金属基体内三维均匀分布的复合结构，因此所获得复合材料中纳米碳和金属材料结合力强，可以显著增强金属材料的强度、硬度、热稳定性、耐腐蚀性、导电、导热性能以及摩擦性能。
本发明的方法简单易行，可控性好，制备得到的复合材料中纳米碳与金属均匀复合，在基体中呈现出三维分布，极大的增加了金属的力学性能和导热、导电性能，适用于大规模生产。碳纳米管的添加量达到10％时，金属/纳米碳复合材料的拉伸强度可达到220MPa。
附图说明
附图1为本发明制备方法的一实施例复合材料的涂布过程示意图；
附图2为本发明制备方法的一实施例复合材料的三维热轧示意图；
附图3为本发明实施例1制备得到的铝基/碳纳米管复合材料的SEM照片；
附图4为本发明实施例1制备得到的铝基/碳纳米管复合材料的力学性能图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1
将铝胚料经过轧制，得到厚度为5μm的铝箔；在碳纳米管中加入分散剂、稳定剂、水经过搅拌、砂磨获得浓度为5wt％的碳纳米管浆料；在涂布机上，将碳纳米管浆料涂至铝箔上，同时控制厚度，如图1所示，120℃进行干燥处理，即得复合铝箔；通过叠片机，将涂碳纳米管的铝箔进行叠片；将叠片的铝箔在500-660℃下，进行反复三维热轧，包括沿垂直堆垛箔面的二维方向半固态的压延，然后叠片、卷绕，沿轴方向对复合箔进行热轧；最终得到了碳纳米管三维分布均匀的铝基/碳纳米管复合材料，如图2所示。
如图3为铝基/碳纳米管的SEM照片，显示碳纳米管在铝基体中形态分布均一。
图4为本实施例铝基/碳纳米管的力学性能图，显示随着碳纳米管添加量的逐渐增多，复合材料的拉伸强度也逐渐增大，其中在添加量达到10％可达到220MPa。
实施例2
将铜胚料经过轧制，得到厚度为5μm的铜箔；在碳纳米管中加入分散剂、稳定剂、水经过搅拌、砂磨获得浓度为5wt％的碳纳米管浆料；在涂布机上，将碳纳米管浆料涂至铜箔上，120℃进行干燥处理；通过叠片机，将涂碳纳米管的铜箔进行叠片；将叠片的铜箔在1083℃氩气保护下，进行半固态反复热轧，最终得到了碳纳米管三维分布均匀的铜基/碳纳米管复合材料。
实施例3
将镍胚料经过轧制，得到厚度为5μm的镍箔；在碳纳米管中加入分散剂、稳定剂、水经过搅拌、砂磨获得浓度为5wt％的碳纳米管浆料；在涂布机上，将碳纳米管浆料涂至镍箔上，120℃进行干燥处理；通过叠片机，将涂碳纳米管的镍箔进行叠片；将叠片的镍箔在1455℃氩气保护下，进行半固态反复热轧，最终得到了碳纳米管三维分布均匀的镍基/碳纳米管复合材料。
实施例4
将镍胚料经过轧制，得到厚度为5μm的镍箔；为了增加碳纳米管与镍基材的相亲性，使用镀镍碳纳米管，然后加入分散剂、稳定剂、水经过搅拌、砂磨获得浓度为5wt％的镀镍碳纳米管浆料；在涂布机上，将碳纳米管浆料涂至镍箔上，120℃进行干燥处理；通过叠片机，将涂碳纳米管的镍箔进行叠片；将叠片的镍箔在1455℃氩气保护下，进行半固态反复热轧，最终得到了碳纳米管三维分布均匀的镍基/碳纳米管复合材料。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用金属胚料经过压延得到金属箔；
(2)将纳米碳制备成浆料，利用涂布机涂覆至金属箔上并进行干燥处理；
(3)利用叠片机或卷绕机，将涂有纳米碳的金属箔进折叠或卷绕；
(4)在一定温度下，对步骤(3)所得材料进行三维反复热轧，使得纳米碳三维均匀分布于金属材料中，获得金属/纳米碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的金属/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的金属箔厚度为0.1μm-1000μm。
3.根据权利要求1所述的金属/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，纳米碳的涂层厚度为0.01-100μm。
4.根据权利要求1所述的金属/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将纳米碳在水、醇类、酮类易挥发液体中均匀分散液得到浆料。
5.根据权利要求1所述的金属/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述三维反复热轧为对于涂有纳米碳的金属箔进行叠片后，沿垂直堆垛箔面的二维方向压延，然后叠片、卷绕，沿轴方向进行轧制，然后按照此工序反复进行N次，N≥2。
6.根据权利要求1所述的金属/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述热轧温度范围为300-1700℃。
7.根据权利要求1所述的金属/纳米碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米碳材料加入量为金属/纳米碳复合材料中总质量的0.01％-20wt％。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的金属/纳米碳复合材料。
9.根据权利要求1所述的金属/纳米碳复合材料，其特征在于，金属/纳米碳复合材料中的纳米碳含量为0.01％-20wt％。
10.根据权利要求1所述的金属/纳米碳复合材料，其特征在于，金属/纳米碳复合材料中的纳米碳选自碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或两种以上的组合。
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