CN105397268A - 一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法 - Google Patents

一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：(1)利用剪切机截取160mm×18mm×0.3mm的铝合金，将碳纳米管平铺于一片铝表面，在碳纳米管表面上再铺一片铝，得到焊接试样；(2)采用超声波金属焊接机进行焊接，得到碳纳米管增强铝基复合材料；焊接时间为150～180ms，焊接压力为10～20MPa；所述焊接试样滴加表面活性剂进行处理。与现有技术采用超声波焊接方法制备得到的碳纳米管增强铝基复合材料相比，本发明所述复合材料的剥离力提高了35.2％，硬度提高了12.5％，与未焊接的基体相比，硬度提高了78.6％。

Description

一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，具体地，本发明涉及一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法。
背景技术
碳纳米管(CNTs)具有独特的管状结构和优异的力学、电学和热学等性能，是制备金属基复合材料的理想增强材料之一。铝基材料具有密度小、耐腐蚀和加工性能好等优点，己广泛用于功能和结构材料中。目前，各国学者致力于研究提高传统铝基材料的力学性能，其中，CNTs增强铝基复合材料以优异的物理、化学和力学性能，表现出广泛的应用前景和研究意义。
碳纳米管已被广泛的应用于金属复合材料的制备中，然而制备碳纳米管金属复合材料的技术仍然面临很大的困难。由于碳纳米管具有很大的比表面积和比表面能，其自身很容易出现团聚现象，碳纳米管很难在金属基体中均匀分散。因此，能否将碳纳米管均匀分散在金属中是制备碳纳米管金属复合材料的关键。为解决这一问题，现有技术中，有将碳纳米管与金属颗粒共混后采用机械球磨的方法实现碳纳米管与金属基体的混合，从而获得碳纳米管金属粉末的混合体。然而，碳纳米管通过机械球磨后，形态遭受到了严重破坏，从而在复合材料中以石墨片的形态存在，使得通过该方法制备的复合材料中碳纳米管的含量低，从而该方法制备碳纳米管金属复合材料的产出率低。
CN102133634A公开了一种碳纳米管金属粉末混合体的制备方法，其包括以下步骤：提供碳纳米管，并将该碳纳米管分散到一溶剂中，得到均匀的悬浊液；提供金属粉末，并将金属粉末加入所述悬浊液中，搅拌后静置，碳纳米管与所述金属粉末沉淀并形成均匀的碳纳米管金属混合体系，该碳纳米管金属混合体系与溶剂形成两相分离界面；除去溶剂，获得碳纳米管金属粉末的混合体。本发明还进一步提供采用所述碳纳米管金属粉末混合体的制备方法制备碳纳米管金属复合材料的方法。但是该发明采用的是修饰后的碳纳米管，碳纳米管表面的羟基、羧基等基团与金属的界面结合力仍然很弱，碳纳米管并不能均匀的分散在金属粉末中，导致制备得到的碳纳米管金属粉末的性能较低，无法满足实际需要。
由于超声波焊接方法价格低廉、工艺过程简单，且可以制备近净成形的复合材料，且在高压和摩擦力的作用下可使碳纳米管嵌入铝基体中，因此，采用本方法制备碳纳米管增强铝基复合材料得到了广泛应用。
熊志林等人(熊志林，朱政强，程正明，胡琴，张义福，超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料，上海交通大学学报，2010，44:45～48)研究了采用超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法。该方法通过对试样表面进行滴加乙醇处理增强碳纳米管与铝的结合强度，但是效果并不十分显著。
现有技术中，也有通过对碳纳米管进行修饰，使其表面带有酸性基团等，以期增强其余铝基体的界面结合作用，但是效果均不是特别的理想。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，所述方法制备得到的碳纳米管与铝基的界面结合力强，剥离强度高。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)利用剪切机截取160mm×18mm×0.3mm的铝合金，将碳纳米管平铺于一片铝表面，在碳纳米管表面上再铺一片铝，得到焊接试样；
(2)采用超声波金属焊接机进行焊接，得到碳纳米管增强铝基复合材料；焊接时间为150～180ms，焊接压力为10～20MPa；
所述焊接试样滴加表面活性剂进行处理。
表面活性剂是指能显著降低液体表面张力或液液界面张力的物质。它们的分子都是由极性的亲水基和非极性的憎水基两部分组成。表面活性剂分子的一端为非极亲油的疏水基，有时也称为亲油基；分子的另一端为极性亲水的亲水基，有时也称为疏油基或形象地称为亲水头。两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接，形成了一种不对称的、极性的结构，因而赋予了该类特殊分子既亲水、又亲油，便又不是整体亲水或亲油的特性。根据表面活性部分所带电荷的不同将表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型。表面活性剂具有润湿、起泡、增溶、消泡等特性所述表面活性剂选自脂肪醇聚环氧乙烷醚、烷基酚聚环氧乙烷醚、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基二醇酰胺或甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠中的任意一种或者至少两种的混合物。所述混合物例如甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠和十二烷基二醇酰胺的混合物，十二烷基苯磺酸钠和烷基酚聚环氧乙烷醚的混合物，脂肪醇聚环氧乙烷醚和甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠的混合物，十二烷基二醇酰胺、十二烷基苯磺酸钠和烷基酚聚环氧乙烷醚的混合物，脂肪醇聚环氧乙烷醚、甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠、十二烷基二醇酰胺、十二烷基苯磺酸钠和烷基酚聚环氧乙烷醚的混合物。滴加表面活性剂之后，降低了表面张力，提高了碳纳米管与铝基体的界面结合作用，提高了该复合材料的最大剥离力和硬度。
所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或双壁碳纳米管中的任意一种或者至少两种的混合物，所述混合物例如双壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合物，多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的混合物，双壁碳纳米管和单壁碳纳米管的混合物，双壁碳纳米管、多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的混合物，优选多壁碳纳米管。
所述碳纳米管可以通过电弧放电法、激光蒸发法或者化学气相沉积法制备获得。碳纳米管的长度越大，其比表面积越大，从而碳纳米管之间容易缠绕团聚，从而不利于将碳纳米管均匀分散于溶剂中形成悬浊液。因此尽量采用非超长的碳纳米管较合适。
由于该方法不需要对碳纳米管进行任何物理或化学处理，碳纳米管具有完整的形态，碳纳米管已完整的形态均匀分散于碳纳米管金属复合材料中，该方法具有较高的产出率。该方法通过简单的操作就可以使得碳纳米管与金属颗粒均匀的混合。
所述多壁碳纳米管的纯度大于96％，例如96.5％、97.5％、97.9％、98.3％。
所述铝合金按质量百分比组成为：0.25～0.35％Cu，0.55～0.75％Si，0.35～0.60％Fe，0.45～0.6％Mg，0.12～0.2％Zn，0.20～0.35％Ti，余量为Al。
所述焊接时间为50～180ms，例如60ms、70ms、80ms、90ms、110ms、130ms、150ms、170ms，焊接时间低于50ms，最大剥离力下降，焊接时间高于180ms，试样表面经过长时间摩擦继而产生较高的热量，使得试样变形量过大，最大剥离力反而下降。
所述焊接压力为10～20MPa，例如11MPa、12MPa、13MPa、14MPa、15MPa、16MPa、17MPa、18MPa、19MPa。焊接压力低于10MPa，造成最大剥离力下降，焊接压力高于20MPa，将变材料为屈服，而不是摩擦，最大剥离力下降。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)采用超声波焊接方法成功制备出碳纳米管增强铝基复合材料，碳纳米管与铝基体界面结合良好，该复合材料具有优异的力学性能；
(2)通过该方法制备得到的碳纳米管增强铝基复合材料最大剥离力最大可达198.25N；
(3)与现有技术采用超声波焊接方法制备得到的碳纳米管增强铝基复合材料相比，本发明所述复合材料的剥离力提高了35.2％，硬度提高了12.5％，与未焊接的基体相比，硬度提高了78.6％；
(4)该方法仅仅通过简单的操作就可以使得碳纳米管与铝基均匀的混合，可以大大的降低碳纳米管铝基复合材料的制备成本，提高效率，具有工艺简单，成本较低的优点。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
(1)利用剪切机截取160mm×18mm×0.3mm的铝合金，将多壁碳纳米管平铺于一片铝表面，在碳纳米管表面上再铺一片铝，得到焊接试样；
(2)采用超声波金属焊接机进行焊接，得到碳纳米管增强铝基复合材料；焊接时间为150ms，焊接压力为20MPa；
所述焊接试样滴加表面活性剂烷基酚聚环氧乙烷醚进行处理；
所述铝合金按质量百分比组成为：0.25～0.35％Cu，0.55～0.75％Si，0.35～0.60％Fe，0.45～0.6％Mg，0.12～0.2％Zn，0.20～0.35％Ti，余量为Al。
实施例2
(1)利用剪切机截取160mm×18mm×0.3mm的铝合金，将多壁碳纳米管平铺于一片铝表面，在碳纳米管表面上再铺一片铝，得到焊接试样；
(2)采用超声波金属焊接机进行焊接，得到碳纳米管增强铝基复合材料；焊接时间为180ms，焊接压力为10MPa；
所述焊接试样滴加表面活性剂十二烷基二醇酰胺进行处理；
所述铝合金按质量百分比组成为：0.25～0.35％Cu，0.55～0.75％Si，0.35～0.60％Fe，0.45～0.6％Mg，0.12～0.2％Zn，0.20～0.35％Ti，余量为Al。
实施例3
(1)利用剪切机截取160mm×18mm×0.3mm的铝合金，将多壁碳纳米管平铺于一片铝表面，在碳纳米管表面上再铺一片铝，得到焊接试样；
(2)采用超声波金属焊接机进行焊接，得到碳纳米管增强铝基复合材料；焊接时间为170ms，焊接压力为15MPa；
所述焊接试样滴加表面活性剂甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠进行处理；
所述铝合金按质量百分比组成为：0.25～0.35％Cu，0.55～0.75％Si，0.35～0.60％Fe，0.45～0.6％Mg，0.12～0.2％Zn，0.20～0.35％Ti，余量为Al。
实施例4
(1)利用剪切机截取160mm×18mm×0.3mm的铝合金，将多壁碳纳米管平铺于一片铝表面，在碳纳米管表面上再铺一片铝，得到焊接试样；
(2)采用超声波金属焊接机进行焊接，得到碳纳米管增强铝基复合材料；焊接时间为165ms，焊接压力为12MPa；
所述焊接试样滴加表面活性剂甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠进行处理；
所述铝合金按质量百分比组成为：0.25～0.35％Cu，0.55～0.75％Si，0.35～0.60％Fe，0.45～0.6％Mg，0.12～0.2％Zn，0.20～0.35％Ti，余量为Al。
与现有技术采用超声波焊接方法制备得到的碳纳米管增强铝基复合材料相比，本发明所述复合材料的剥离力提高了35.2％，硬度提高了12.5％，与未焊接的基体相比，硬度提高了78.6％。
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (5)

1.一种超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)利用剪切机截取160mm×18mm×0.3mm的铝合金，将碳纳米管平铺于一片铝表面，在碳纳米管表面上再铺一片铝，得到焊接试样；
(2)采用超声波金属焊接机进行焊接，得到碳纳米管增强铝基复合材料；焊接时间为150～180ms，焊接压力为10～20MPa；
所述焊接试样滴加表面活性剂进行处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面活性剂选自脂肪醇聚环氧乙烷醚、烷基酚聚环氧乙烷醚、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基二醇酰胺或甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠中的任意一种或者至少两种的混合物。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或双壁碳纳米管中的任意一种或者至少两种的混合物，优选多壁碳纳米管。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管的纯度大于96％。
5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述铝合金按质量百分比组成为：0.25～0.35％Cu，0.55～0.75％Si，0.35～0.60％Fe，0.45～0.6％Mg，0.12～0.2％Zn，0.20～0.35％Ti，余量为Al。
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