CN106001152A - 一种碳纳米管增强金属基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纳米管（CNTs）增强金属基复合材料，属于金属基复合材料开发领域。本新型复合材料由两部分构成，心部为CNTs均匀分散在金属基体中的CNTs增强金属基复合材料（CNTs/M）结构体，表面为对应纯金属的功能层，二者之间为冶金结合。心部结构体使复合材料具有高强度等优异力学性能；表面功能层紧紧包覆在结构体外面，使复合材料具有良好的导电性等理化性能。本发明创造性地解决了普通CNTs增强金属基复合材料提高基体材料力学性能的同时降低其理化性能的矛盾，成功将CNTs/M结构体与金属材料功能层结合起来，提供一种具有高强、高导等优良综合性能的结构与功能一体化新型碳纳米管增强金属基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管增强金属基复合材料，属于复合材料开发领域。
背景技术
铜、铝、银等金属及它们的一些合金因具有耐蚀、导电、导热和加工性能良好等优点，被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、电子与电气工程、机械制造等诸多领域。随着现代工业的迅猛发展，上述领域对这些金属材料的比强度、比刚度、耐疲劳性、导电导热性、热膨胀等性能提出了越来越高的要求，金属材料的复合化成为满足这一发展趋势的有效途径。
自1991年日本NEC公司电子显微镜专家Iijima发现了碳纳米管（Carbon Nanotube,
CNTs）以来，人们逐渐了解CNTs所具有的优异理化性能。CNTs的抗拉强度达到50～200GPa，杨氏模量与金刚石相当，强度是钢的100 倍，密度约为1.2～2.1g/cm3，仅为钢的1/6～1/7；CNTs具有优良的导电和导热性能，热膨胀系数低，具有非常广泛的应用前景，也被公认为最理想的复合材料增强体。
从已有的报道来看，CNTs添加到铜、铝、银等金属基体中可明显提高金属材料的强度、硬度和耐磨性，但由于CNTs与金属基体之间的浸润性差，二者界面电阻高，复合材料的导电性对比金属基体下降较多，影响了这些材料的功能性应用。例如：Praveennath G. Koppad等人将多壁碳纳米管（MWCNTs）添加到铜中制备MWCNTs/Cu复合材料，随着MWCNTs含量的增加，MWCNTs随机分布，复合材料的晶粒尺寸减小，界面电阻和位错增加，复合材料的导电率逐渐降低。
因此，设计开发一种高强高导的新型碳纳米管增强金属基复合材料是该领域目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题为普通CNTs增强金属基复合材料存在的强度等力学性能与导电性等电学性能此消彼长的矛盾问题。
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高强、高导的结构与功能一体化的新型碳纳米管增强金属基复合材料，所述复合材料包括位于心部的结构体和包覆在结构体外面的功能层；结构体和功能层之间为冶金结合；
所述结构体为普通碳纳米管增强金属基复合材料（简称CNTS/M）；
所述功能层为结构体中复合材料的基体对应的纯金属材料。
本发明所述结构体的普通碳纳米管增强金属基复合材料是指碳纳米管均匀分散在金属基体中的复合材料，CNTs的含量为0.5-5wt.%，金属基体为铜、铝、银等金属或其合金。
本发明所述功能层的金属材料为铜、铝、银等导电性好、塑性好的纯金属。
本发明的有益效果：本发明所述新型碳纳米管复合材料，将普通碳纳米管增强金属基复合材料（结构体）和金属材料（功能层）通过界面的冶金结合再次复合起来，心部结构体为新型复合材料提供高的强度，外围功能层为新型复合材料提供高的导电性，解决了普通CNTs增强金属基复合材料提高基体材料力学性能的同时降低其理化性能的矛盾，从而实现高强、高导的结构与功能一体化。
附图说明
图1是本发明新型碳纳米管增强金属基复合材料横截面结构示意图；
图中：1 - CNTs/Al心部结构体，2 –纯Al包覆的表面功能层。
图2是本发明实施例1中新型纯Al包覆2 wt.%CNTs/Al复合材料棒材实物照片。
图3是本发明实施例1中新型纯Al包覆2 wt.%CNTs/Al复合材料棒材的室温拉伸工程应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明，但不限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例所述新型碳纳米管复合材料包括位于中心的结构体和包覆在结构体外面的功能层；结构体和功能层之间为冶金结合；
所述结构体为普通CNTs增强Al基复合材料，其中CNTs的含量为2wt.%；功能层为纯Al（纯度99.5%），厚度约1 mm。
本实施例所述碳纳米管复合材料采用常规方法制备：
（1）普通CNTs增强Al基复合材料的制备：采用高能球磨法将一定比例（质量比2:98）的CNTs（纯度96%）和纯铝粉（纯度99.9%且平均粒径25μm）混合均匀，然后采用冷压和560℃真空烧结的方法制备得到直径为28mm的普通CNTs增强Al基复合材料（2wt.%CNTs/Al）圆柱；
（2）普通CNTs增强Al基复合材料的二次复合：采用热挤压机对步骤（1）中制备的普通CNTs增强Al基复合材料圆柱坯和直径为28mm的1060纯Al圆柱体在500℃进行联合热挤压，利用两种材料变形能力与变形速度的差异，制备得到直径为5mm的纯Al包覆的2wt.%CNTs/Al复合棒材，包覆的纯Al厚度为1mm。
在室温下，对本实施例所述CNTs复合材料进行拉伸力学性能和导电性能检测，该复合材料的抗拉强度、延伸率和相对导电率分别达到312 MPa、16.1%和58.5%IACS，和传统粉末冶金热挤压制备的普通碳纳米管增强Al基复合材料（单纯2wt.%CNTs/Al，其抗拉强度为、延伸率为和相对导电率分别为315MPa、15.2%和46.5%IACS）相比，本实施例制备得到的新型碳纳米管增强铝基复合材料导电率大幅上升，具有更好力学与理化综合性能。
实施例2
本实施例以纯度96%的CNTS、纯度99.9%且平均粒径25μm的纯铝粉和1060纯铝棒为原料，其中CNTs和纯铝粉以质量比0.5:99.5的比例均匀混合，采用实施例1相同的方法和步骤制备得到直径为5 mm的纯Al包覆碳纳米管增强铝基复合材料，心部为0.5wt.%CNTs/Al复合材料结构体，表面为厚度约1 mm纯Al包覆功能层，二者之间的冶金结合实现复合材料的结构和功能一体化。在室温下，对本实施例所述碳纳米管复合材料进行拉伸力学性能和导电性能检测，其抗拉强度、延伸率和相对导电率分别达到216 MPa、18.3%和58.8%IACS，和传统粉末冶金热挤压制备的普通碳纳米管增强Al基复合材料（单纯0.5wt.%CNTs/Al，抗拉强度为、延伸率为和相对导电率分别为212MPa、17.5%和51.6%IACS）相比，本实施例制备得到的新型碳纳米管增强铝基复合材料导电率大幅度上升，具有更好力学与理化综合性能。
实施例3
本实施例首先按照中国专利201010195250.7的原位生成CNTs方法制备得到CNTs含量约5%的CNTs/Al复合粉体，然后采用与实施例1相同的冷压、烧结和热挤压工艺步骤制备得到直径为5 mm的纯Al包覆碳纳米管增强铝基复合材料，心部为5wt.%CNTs/Al复合材料结构体，表面为厚度约1 mm纯Al包覆功能层，二者之间的冶金结合实现复合材料的结构和功能一体化。在室温下进行拉伸力学性能和导电性能检测，该复合材料的抗拉强度、延伸率和相对导电率分别达到224 MPa、10.2%和57.8%IACS，和传统粉末冶金热挤压制备的普通碳纳米管增强Al基复合材料（单纯5wt.%CNTs/Al，抗拉强度为、延伸率为和相对导电率分别为221MPa、9.8%和43.3%IACS）相比，本实施例制备得到的新型碳纳米管增强铝基复合材料导电率大幅度上升，具有更好力学与理化综合性能。
实施例4
本实施例以纯度96%的CNTs、平均粒径25μm的2024Al粉和1060纯铝棒为原料，其中CNTs和2024Al粉以质量比2:98的比例均匀混合，采用实施例1相同的方法和步骤制备得到直径为5 mm的纯Al包覆碳纳米管增强2024Al基复合材料，心部为2wt.%CNTs/2024Al复合材料结构体，表面为厚度约1 mm纯Al包覆功能层，二者之间的冶金结合实现复合材料的结构和功能一体化。在室温下进行拉伸力学性能和导电性能检测，该复合材料的抗拉强度、延伸率和相对导电率分别达到389 MPa、7.2%和57.8%IACS，和传统粉末冶金热挤压制备的普通碳纳米管增强2024Al基复合材料（单纯2wt.%CNTs/2024Al，抗拉强度为、延伸率为和相对导电率分别为378MPa、6.9%和41.5%IACS）相比，本实施例制备得到的新型碳纳米管增强2024铝基复合材料导电率大幅度上升，具有更好力学与理化综合性能。
实施例5
本实施例所述新型碳纳米管复合材料包括位于中心的结构体和包覆在结构体外面的功能层；结构体和功能层之间为冶金结合；
所述结构体为普通CNTs增强Cu基复合材料，其中CNTs的含量为2wt.%；功能层为纯Cu（纯度99.9%），厚度约1.2 mm。
本实施例所述碳纳米管复合材料采用常规方法制备：
（1）普通CNTs增强Cu基复合材料的制备：采用高能球磨法将一定比例（质量比2:98）的CNTs（纯度96%）和纯Cu粉（纯度99.9%且平均粒径25μm）混合均匀，然后采用冷压和950℃真空烧结的方法制备得到直径为28mm的普通CNTs增强Cu基复合材料（2wt.%CNTs/Cu）圆柱；
（2）普通CNTs增强Cu基复合棒材的制备：将步骤（1）制备的2wt.%CNTs/Cu圆柱烧结坯在900℃进行热挤压，获得直径为5mm的普通2wt.%CNTs/Cu复合棒材。
（3）普通CNTs增强Cu基复合棒材的包覆：将步骤（2）制备的普通2wt.%CNTs/Cu复合棒材采用文献（运新兵, 刘元文, 贾春博,等. 铜包钢线连续挤压包覆工艺试验研究. 大连铁道学院学报, 2003, 24(4):78-80.）报道的连续挤压包覆法包覆纯Cu，得到纯Cu包覆的2wt.%CNTs/Cu复合棒材，纯铜包覆层厚度约1.2mm，心部和包覆层之间的冶金结合实现复合材料的结构和功能一体化。
在室温下进行拉伸和导电性能测试，该复合材料的抗拉强度、延伸率和相对导电率分别达到365 MPa、6.8%和88.7%IACS，和传统粉末冶金热挤压制备的普通碳纳米管增强纯铜基复合材料（单纯2wt.%CNTs/Cu，抗拉强度为、延伸率为和相对导电率分别为357MPa、6.7%和70.5%IACS）相比，本实施例制备得到的新型碳纳米管增强铜基复合材料导电率大幅度上升，具有更好力学与理化综合性能。
实施例6
本实施例以纯度96%的CNTs、纯度99.9%且平均粒径25μm的纯银粉和纯度99.9%纯银棒为原料，其中CNTs和纯银粉以质量比2:98的比例均匀混合，采用实施例1相同的方法和步骤制备得到直径为5 mm的纯Ag包覆碳纳米管增强纯银基复合材料，心部为2wt.%CNTs/Ag复合材料结构体，表面为厚度约1
mm纯Ag包覆功能层，二者之间的冶金结合实现复合材料的结构和功能一体化。在室温下进行拉伸力学性能和导电性能检测，该复合材料的抗拉强度、延伸率和相对导电率分别达到236 MPa、11.3%和92.5%IACS，和传统粉末冶金热挤压制备的普通碳纳米管增强纯银基复合材料（单纯2wt.%CNTs/Ag，抗拉强度为、延伸率为和相对导电率分别为232MPa、10.6%和81.2%IACS）相比，本实施例制备得到的新型碳纳米管增强银基复合材料导电率大幅度上升，具有更好力学与理化综合性能。
Claims (3)
1.一种碳纳米管增强金属基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括位于中心的结构体和包覆在结构体外面的功能层，结构体和功能层之间为冶金结合；
所述结构体为普通碳纳米管增强金属基复合材料；
功能层为结构体中复合材料的基体对应的纯金属材料。
2.根据权利要求1所述碳纳米管复合材料，其特征在于：所述结构体中碳纳米管增强金属基复合材料中CNTs的含量为0.5-5wt.%，金属基体为铜、铝、银的纯金属或其合金。
3.根据权利要求1所述碳纳米管复合材料，其特征在于：所述功能层的金属材料为铜、铝、银的纯金属或其合金。
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| CN113084157A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-09 | 昆明理工大学 | 一种用于制备铸铜转子用端环的铜基复合粉末的制备方法 |
| CN113084157B (zh) * | 2021-04-19 | 2023-04-07 | 昆明理工大学 | 一种用于制备铸铜转子用端环的铜基复合粉末的制备方法 |
| CN113355549A (zh) * | 2021-06-09 | 2021-09-07 | 南昌大学 | 一种新型稀土氧化物包覆碳纳米管增强镁基复合材料的方法 |
| CN113355549B (zh) * | 2021-06-09 | 2022-05-13 | 南昌大学 | 一种稀土氧化物包覆碳纳米管增强镁基复合材料的方法 |
| CN114160764A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-03-11 | 昆明理工大学 | 一种采用连铸生产复合材料的方法 |
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