CN104975201A - 纳米碳增强的铝复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供纳米碳增强的铝复合材料及其制造方法。制造纳米碳增强的铝复合材料的方法的特征在于将其中陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕的复合粉末添加到熔融铝中，然后铸造具有添加的复合粉末的熔融铝。
Description
技术领域
本公开内容涉及纳米碳增强的铝复合材料及其制造方法。更具体地，本公开内容涉及纳米碳增强的铝复合材料及其制造方法，其中纳米碳与液体铝之间的反应得到控制，并且纳米碳在铝中的分散性得到改善。
背景技术
碳纳米管是直径为几纳米(nm)到几十纳米(nm)的管状碳纳米材料。
众所周知，碳纳米管具有优异的机械特性，诸如高强度、高弹性模量、低密度、高长径比等。因此，已对将碳纳米管应用于结构材料，即增强材料诸如聚合物-金属基质复合材料等积极地进行了研究。
在制造碳纳米管-金属纳米复合材料的过程中，通常使用将碳纳米管与金属粉末混合以制备碳纳米管-金属复合粉末然后烧结该复合粉末的粉末冶金工艺。在粉末冶金工艺中，碳纳米管通过球磨等与金属粉末混合，然后烧结该混合物。
然而，碳纳米管通过作用在其间的范德华力强烈聚结，因此很难以将其均匀地分散在金属基质材料中。而且，碳纳米管与金属基质材料之间的密度差异使碳纳米管的分散较为困难。
另外，由于聚结的碳纳米管不容易被烧结，因而密度较低，并且复合材料的特性较差。进一步地，当碳纳米管与金属粉末诸如钛粉末混合然后烧结时，产生碳化物诸如碳化钛(TiC)，因此可归因于原始碳纳米管的优异增强效果无法实现。
具体地，当使用碳纳米管通过铸造工艺制造纳米碳增强的铝复合材料时，存在必须防止通过纳米碳和液体铝的反应而产生碳化物的问题。因此，已经完成用金属或陶瓷涂覆纳米碳的方法，以便解决上述问题。然而，该方法也有问题，其在于：纳米碳因金属涂层与铝的反应而损坏，以及纳米碳的分散性较低，因为陶瓷涂层对铝的润湿性较低。
应当理解的是，前述说明仅为帮助理解本发明而提供，而并不意味着本发明落在本领域技术人员已知的相关技术的范围内。
发明内容
因此，本公开内容设计成解决上述问题。本公开内容提供纳米碳增强的铝复合材料及其制造方法，其中纳米碳与液体铝之间的反应得到控制，并且纳米碳在铝中的分散性得到改善。
本公开内容的一方面提供制造纳米碳增强的铝复合材料的方法，该方法包括：将其中陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕的复合粉末添加到熔融铝中，然后铸造具有添加的复合粉末的熔融铝。
该方法可包括以下步骤：用陶瓷涂覆纳米碳；将陶瓷涂覆的纳米碳与金属粉末混合以制备复合粉末，使得陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕；将复合粉末添加到熔融铝中；以及铸造具有添加的复合粉末的熔融铝。
纳米碳可包括选自碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯中的至少一者。陶瓷可包括选自氧化物、碳化物、氮化物和硼化物中的至少一者。
金属粉末可以是铝、或与铝铸成合金或与铝反应以形成金属间化合物的金属。
陶瓷涂覆的纳米碳可通过球磨与金属粉末混合，使得陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕。
本公开内容的另一方面提供纳米碳增强的铝复合材料，其通过将其中陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕的复合粉末添加到熔融铝中，然后铸造具有添加的复合粉末的熔融铝来制造。
附图说明
根据以下具体实施方式并结合附图，将更清晰地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点。
图1是示出根据本公开内容的实施方式的制造纳米碳增强的铝复合材料的工艺的示意图；
图2是示出涂覆有二氧化钛(TiO2)的碳纳米管的照片。
图3是示出根据本公开内容的实施方式的纳米碳增强的铝复合材料的照片。
图4是示出比较例1的纳米碳增强的铝复合材料的照片。
图5是示出通过球磨制备的TiO2涂覆的碳纳米管-铝复合粉末的照片。
图6是示出涂覆有Al2O3的石墨烯的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开内容的优选实施方式。
如图1所示，根据本发明的制造纳米碳增强的铝复合材料的方法的特征在于，将其中陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕的复合粉末添加到熔融铝中，然后铸造具有添加的复合粉末的熔融铝。
也就是，施加于纳米碳上的陶瓷控制液体铝与纳米碳之间的反应，并且金属粉末改善液体铝的润湿性，从而同时改善纳米碳在熔融铝中的热稳定性和分散性。
纳米碳可以结合现有金属材料大大地促进电子和电气设备、汽车等领域中高功能化、减重和小型化的实现，因为纳米碳具有高导电性、高导热性和优异的机械特性。因此，在本发明中，上述优点通过用金属粉末环绕陶瓷涂覆的纳米碳以制备复合粉末、将复合粉末添加到熔融铝中然后铸造添加有复合粉末的熔融铝而实现。
制造纳米碳增强的铝复合材料的方法可通过以下步骤实施：用陶瓷涂覆纳米碳；将陶瓷涂覆的纳米碳与金属粉末混合以制备复合粉末，使得陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕；将复合粉末添加到熔融铝中；以及铸造添加有复合粉末的熔融铝。
纳米碳包括选自碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯中的至少一者。陶瓷包括选自氧化物、碳化物、氮化物和硼化物中的至少一者。例如，通过施加金属粒子诸如铜、镍等并且在氧氛下对其进行热处理，可对纳米碳涂覆金属粉末。
除了铜和镍之外，金、银、铂、钛、锌、锰和镓也可用作金属粉末。陶瓷涂层的厚度可在10nm至1μm的范围内调节。而且，陶瓷涂覆可通过各种方法，诸如无电镀、溅射、沉积、化学气相沉积等执行。
陶瓷涂覆可执行成使得陶瓷粒子均匀地分布在纳米碳上。该均匀地涂覆有陶瓷的纳米碳被金属粉末环绕以制备复合粉末。
将其中陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕的复合粉末与熔融铝混合，然后铸造该混合物，以制造纳米碳增强的铝复合材料。
金属粉末可以是铝、或与铝铸成合金或与铝反应以形成金属间化合物的金属。陶瓷涂覆的纳米碳可通过球磨与金属粉末混合。
在下文中，将参考以下实施例更详细地描述本公开内容。
实施例1
为制造本公开内容的纳米碳增强的铝复合材料，使用溶胶-凝胶工艺用TiO2涂覆碳纳米管(CNTs)(参见图2)。
将40g涂覆有TiO2的碳纳米管通过球磨在以下条件下与160g铝粉末混合，从而制备具有碳纳米管嵌入铝粉末内的结构的复合粉末(参见图5)。
球的原料：ZrO2
球的大小：5mm
球与粉末的重量比：10:1
研磨速度：600rpm
研磨时间：2小时
将200g所制备的复合粉末添加到800g在750℃的熔融铝中，机械搅拌，然后铸造，以制造纳米碳增强的铝复合材料。在实施例1的纳米碳增强的铝复合材料中未见到纳米碳的聚结(参见图3)。
实施例2
在使用溶胶-凝胶工艺用Al2O3涂覆石墨烯之后，以与实施例1相同的方式制造纳米碳增强的铝复合材料。
如图6所示，在实施例2的纳米碳增强的铝复合材料中未见到纳米碳的聚结。
比较例1
以与实施例1相同的方式制造纳米碳增强的铝复合材料，不同之处在于使用涂覆有TiO2的碳纳米管。
如图4所示，根据比较例1的纳米碳增强的铝复合材料可以确定，涂覆有TiO2的碳纳米管没有通过机械搅拌分散在熔融铝中，因为这些碳纳米管对铝的润湿性较低，并且在比较例1的复合材料中观察到纳米碳的聚结。
如上所述，根据本公开内容的制造纳米碳增强的铝复合材料的方法，陶瓷涂覆的纳米碳与金属粉末混合以制备复合粉末，从而改善纳米碳在铝中的分散性，同时控制纳米碳与液体铝之间的反应。
本公开内容的纳米碳增强的铝复合材料的优点在于可以控制纳米碳与液体铝之间的反应，并且可以改善纳米碳在铝中的分散性。
尽管出于示例说明的目的已公开本公开内容的优选实施方式，但本领域的技术人员将理解，在不脱离随附权利要求中公开的本公开内容的范围和主旨的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。
Claims (6)
1.一种制造纳米碳增强的铝复合材料的方法，包括：
将其中陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕的复合粉末添加到熔融铝中；以及
铸造具有所添加的复合粉末的熔融铝。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
在将所述复合粉末添加到熔融铝以及铸造具有所添加的复合粉末的熔融铝之前，
用陶瓷涂覆纳米碳；以及
将所述陶瓷涂覆的纳米碳与金属粉末混合以制备所述复合粉末，使得所述陶瓷涂覆的纳米碳被所述金属粉末环绕。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述纳米碳包括选自碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯中的至少一者；并且
所述陶瓷包括选自氧化物、碳化物、氮化物和硼化物中的至少一者。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述金属粉末是铝、或与铝铸成合金或与铝反应以形成金属间化合物的金属。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷涂覆的纳米碳通过球磨与所述金属粉末混合，使得所述陶瓷涂覆的纳米碳被所述金属粉末环绕。
6.一种纳米碳增强的铝复合材料，其通过将其中陶瓷涂覆的纳米碳被金属粉末环绕的复合粉末添加到熔融铝中，然后铸造具有所添加的复合粉末的熔融铝而制造。
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