CN108396163A - 碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将发泡粉和碳纳米管混合均匀；S2、准备两块铝板，分别为第一铝板和第二铝板，第一铝板上开设有凹槽；S3、将混合粉末均匀装于第一铝板的凹槽中，将第二铝板叠放在第一铝板的上方且完全覆盖所述凹槽；S4、使用搅拌摩擦焊对第二铝板进行多次搅拌焊处理，以得到晶粒致密的混有碳纳米管增强相的泡沫铝基复合材料预制体；S5、将泡沫铝基复合材料预制体进行加热发泡处理，即获得碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。本发明将搅拌摩擦焊用于制备碳纳米管增强泡沫铝基复合材料，具有效率高、成本低且制品颗粒细化、性能优异、孔隙率大的优点。

Description

碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫铝基复合材料的制备方法，尤其涉及一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，它将碳纳米管作为增强相采用搅拌摩擦焊的方式制备泡沫铝基复合材料。

背景技术

如今新型轻量化材料使用已成为汽车轻量化的主要研究方向，而泡沫铝是其中最具代表的一种。泡沫铝因自身独特的微观孔隙结构具有许多其他材料不具备的优势，例如密度小、比强度大、力学性能响应好、能量回收效率高等优点，而被广泛应用在汽车的前后纵梁、车顶架、保险杠及AB柱等易受冲击部位。

泡沫铝基复合材料是通过在泡沫铝的基体材料中混入各种增强相而制成的集合泡沫铝本身和增强相两者优点于一身的全新轻量化材料。在众多增强相中，碳纳米管因其自身密度低和力学性能优异等独特优点自然成为泡沫铝基复合材料的理想增强相，可用来大大提高泡沫铝复合基材料的强度。但目前仍没有系统而效率高的制备方法，其主要原因大概与铝基质本身相异巨大的密度和热膨胀系数及碳纳米管的表面积过大造成的碳纳米管在泡沫铝基质中难以均匀分布有关。

目前涉及碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法并不是很多，如中国发明专利申请CN104745976A公开了一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，它采用化学气相沉积法，主要通过将碳纳米管、铝粉和尿素颗粒和无水乙醇冷压成型后进行粉末烧结来得到预制体；中国发明专利申请CN107012349A公开了一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，它采用微波烧结技术将表面有金属铜镀层的碳纳米管和尿素颗粒与温水混合后冷压冶金获取预制体；中国发明专利申请CN104911388A公开了一种用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，它通过尿素作为造孔剂和通过镍作为碳纳米管合成的催化剂来原位合成预制体；中国发明专利申请CN 101798665A公开了一种铝基泡沫材料的制备方法，它通过向熔融铝或铝合金中加入带有金属镀层的碳纤维并搅拌均匀后进行冷却获得成品；中国发明专利申请CN104745853A公开了一种泡沫铝/纳米碳复合材料的制备方法，它将纳米碳与发泡剂浆料涂抹在铝箔上再反复高温轧制来得到复合材料。这些专利申请中涉及的方法以各种粉末冶金法及熔融发泡法及它的改进方法为主，数量少且并未大量投入生产，且各有各的缺点，如制备的复合材料易产生泡孔缺陷、力学性能差和工艺复杂、耗时长等。

综上可知，由于泡沫铝本体泡沫分布及碳纳米管本身密度小、表面积大等特点，若采用传统方法，则碳纳米管不易均匀分布到泡沫铝的基体中，且会产生泡孔破碎、孔洞连接、密度不均等缺点，并且传统的粉末冶金法原料为纯铝粉末，消耗成本过大，工艺复杂，而且会发生基体粉末与发泡剂粉末互相吸附而不扩散的团聚效应，可见现在还没有高效的方法应用于制备碳纳米管增强泡沫铝新型复合材料中。目前国际上只有日本学者对搅拌摩擦焊做过不少研究，但均未涉及泡沫铝的碳纳米管增强相问题，仅涉及单纯的闭孔泡沫铝与泡沫铝夹芯板的制备。因此，本申请首次提出将该新型固相连接方法用于此处碳纳米管增强新型泡沫铝复合材料的制备。

发明内容

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，它将搅拌摩擦焊用于制备碳纳米管增强泡沫铝基复合材料，具有效率高、成本低且制品颗粒细化、性能优异、孔隙率大的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将发泡粉和碳纳米管混合均匀；

S2、准备两块铝板，分别为第一铝板和第二铝板，第一铝板上开设有凹槽；

S3、将步骤S1中的混合粉末均匀装于第一铝板的凹槽中，将第二铝板叠放在第一铝板的上方且完全覆盖所述凹槽；

S4、使用搅拌摩擦焊对步骤S3中叠放于上方的第二铝板进行多次搅拌焊处理，以得到晶粒致密的混有碳纳米管增强相的泡沫铝基复合材料预制体；

S5、将步骤S4中获得的泡沫铝基复合材料预制体进行加热发泡处理，即获得碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。

按上述技术方案，所述发泡粉采用氢化钛粉，其粉末尺寸为1～100μm，所述发泡粉的质量与两块铝板的质量比为5～20％。

按上述技术方案，所述碳纳米管的粉末尺寸为0.1～20μm，所述碳纳米管的质量与两块铝板的质量比为0.1～10％。

按上述技术方案，所述第一铝板的厚度大于第二铝板的厚度。

按上述技术方案，所述第一铝板的厚度为5～15mm，所述第二铝板的厚度为0.5～5mm。

按上述技术方案，两块铝板的长宽相等，其长度均为2800～3200mm，宽度均为1400～1800mm。

按上述技术方案，所述凹槽的形状为矩形，其长度为10～1800mm，宽度为10～1600mm。

按上述技术方案，搅拌摩擦焊中搅拌头的转速为10～3000r/min，焊接速度为10～2000mm/min，轴向下压量为0～0.5mm，搅拌头倾斜角为1～5°。

按上述技术方案，步骤S5中，将步骤S4中获得的泡沫铝基复合材料预制体放入电阻炉中进行加热发泡，加热温度为600～860℃，保温时间为1～25min。

按上述技术方案，加热发泡完成后，对碳纳米管增强泡沫铝基复合材料进行水冷。

本发明产生的有益效果是：本发明为了能实现碳纳米管在泡沫铝基体泡孔内的充分扩散，将搅拌摩擦焊这种新型固相连接方法应用于增强相泡沫铝复合材料的制备中，搅拌摩擦焊的搅拌头处的反应类似一种强塑性反应，即通过在金属基质和碳纳米管的混合基体中插入旋转搅拌头来回移动产生大量摩擦热来使基质产生强烈塑性变化而得到性能优异的固相连接组织，本发明所制备得到的泡沫铝基体致密，碳纳米管与泡沫铝泡孔孔壁充分结合，泡沫铝泡孔与碳纳米管本身结构完整性较好，得到的复合材料充分的体现了碳纳米管的增强相作用，即所得预制体密度小、强度大、吸能效率高，且整个流程操作简单，耗材廉价，持续流程较短，可同时实现高生产率与低成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中第一铝板和第二铝板的结构示意图；

图2是本发明实施例中步骤S3的示意图；

图3是本发明实施例中步骤S4的示意图；

图4是本发明制备的泡沫铝复合材料的截面示意图。

图中：1-第一铝板，1.1-凹槽，2-第二铝板，4-混合粉末，5-搅拌头，6-泡沫铝基复合材料预制体，7-泡沫铝复合材料，8-碳纳米管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将发泡粉和碳纳米管混合均匀，得到混合粉末；

S2、如图1所示，准备两块铝板，分别为第一铝板1和第二铝板2，第一铝板1上开设有凹槽1.1；

S3、如图2所示，将步骤S1中的混合粉末4均匀装于第一铝板的凹槽中，将第二铝板叠放在第一铝板的上方且完全覆盖凹槽；

S4、如图3所示，使用搅拌摩擦焊对步骤S3中叠放于上方的第二铝板进行多次搅拌焊处理，以封住盛粉凹槽，得到晶粒致密的混有碳纳米管增强相的泡沫铝基复合材料预制体6；

S5、将步骤S4中获得的泡沫铝基复合材料预制体进行加热发泡处理，一般放入电阻炉中进行加热发泡，加热温度为600～860℃，保温时间为1～25min，即获得如图4所示的含碳纳米管8的泡沫铝基复合材料7。

步骤S5中，加热发泡完成后，一般需对碳纳米管增强泡沫铝基复合材料进行水冷

在本发明的优选实施例中，发泡粉采用氢化钛粉，其粉末尺寸为1～100μm，发泡粉的质量与两块铝板的质量比为5～20％。发泡粉的质量占比相较于传统工艺有所提高，以使碳纳米管更分散。

在本发明的优选实施例中，碳纳米管的粉末尺寸为0.1～20μm，所述碳纳米管的质量与两块铝板的质量比为0.1～10％。为了充分利用碳纳米管的增强相作用，本发明增加了碳纳米管的质量占比，并在第一铝板上开设用于放置碳纳米管的凹槽，以使两块铝板夹持住碳纳米管使其不掉落。

在本发明的优选实施例中，因第一铝板上要开设凹槽，故第一铝板的厚度大于第二铝板的厚度，其中，第一铝板的厚度为5～15mm，第二铝板的厚度为0.5～5mm。两块铝板的外形尺寸相同，均为矩形，其长宽相等，长度均为2800～3200mm，宽度均为1400～1800mm，其中凹槽的形状为矩形，其长度为10～1800mm，宽度为10～1600mm。

在本发明的优选实施例中，如图3所示，搅拌摩擦焊中搅拌头5的转速为10～3000r/min，焊接速度为10～2000mm/min，轴向下压量为0～0.5mm，搅拌头倾斜角为1～5°。

以下列举两个实施例对本发明进行进一步说明。

实施例一

S1、混合发泡剂

将发泡粉、稳定剂和碳纳米管进行均匀混合，其中发泡粉使用氢化钛粉，粉末尺寸为45μm，发泡粉的质量与两块铝板的质量比为6％；增强相采用碳纳米管，粉末尺寸为10μm，碳纳米管质量与铝板的质量比为1％；

S2、焊前准备

准备两块铝板，其中在第一铝板上铣出长方形凹槽，第二铝板不进行任何加工，将S1中混合好的发泡剂粉末均匀放置于第一铝板的凹槽中，将第二铝板叠放在第一铝板上，此处两块铝板选用ADC12铝合金板，第一铝板厚10mm，第二铝板厚5mm；凹槽长120mm，宽50mm；两块铝板长度均为300mm，宽度均为150mm，以与搅拌摩擦焊工作台相匹配；

S3、进行搅拌摩擦焊

将上述中间夹有发泡剂的两块ADC12板放置在搅拌摩擦焊工作台上，然后在第二铝板正面同样的位置进行6次搅拌摩擦焊处理，工艺参数分别选择焊接转速为100r/min，焊接速度为1000mm/min，下压量为0.32mm，搅拌头倾斜角为3°，在焊接完成后获得的泡沫铝复合材料致密度大概80％左右；

S4、加热发泡处理

将S3中获得的复合泡沫铝材料预制体置入电阻炉中进行最后一步的发泡处理，保温温度选为685℃，保温10min，接着取出进行水冷，便可获得碳纳米管泡沫铝复合材料成品，其孔隙率大概为35％。

实施例二

具体方法同实施例一，唯一不同的工艺条件为：加入的碳纳米管与两块铝板的质量比为0.5％,该实施例中最终得到的碳纳米管泡沫铝复合材料孔隙率大概为60％左右。

本发明工艺操作简单，耗材廉价，持续流程较短，可同时实现高生产率与低成本，制得的碳纳米管泡沫铝复合材料孔隙率较大，平均泡孔直径不大，泡孔均匀度较好，圆形度不错，无连接孔、横向裂纹及团聚效应等缺陷，且强度较大，展现了增强相复合碳纳米管的大部分优点，并且制得的泡沫铝复合材料拥有传统方法所制复合材料没有的高孔隙率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

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，包括以下步骤：

S1、将发泡粉和碳纳米管混合均匀；

S2、准备两块铝板，分别为第一铝板和第二铝板，第一铝板上开设有凹槽；

S3、将步骤S1中的混合粉末均匀装于第一铝板的凹槽中，将第二铝板叠放在第一铝板的上方且完全覆盖所述凹槽；

S4、使用搅拌摩擦焊对步骤S3中叠放于上方的第二铝板进行多次搅拌焊处理，以得到晶粒致密的混有碳纳米管增强相的泡沫铝基复合材料预制体；

S5、将步骤S4中获得的泡沫铝基复合材料预制体进行加热发泡处理，即获得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，所述发泡粉采用氢化钛粉，其粉末尺寸为1～100μm，所述发泡粉的质量与两块铝板的质量比为5～20％。

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，所述碳纳米管的粉末尺寸为0.1～20μm，所述碳纳米管的质量与两块铝板的质量比为0.1～10％。

4.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，所述第一铝板的厚度大于第二铝板的厚度。

5.根据权利要求1或4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，所述第一铝板的厚度为5～15mm，所述第二铝板的厚度为0.5～5mm。

6.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，两块铝板的长宽相等，其长度均为2800～3200mm，宽度均为1400～1800mm。

7.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，所述凹槽的形状为矩形，其长度为10～1800mm，宽度为10～1600mm。

8.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，搅拌摩擦焊中搅拌头的转速为10～3000r/min，焊接速度为10～2000mm/min，轴向下压量为0～0.5mm，搅拌头倾斜角为1～5°。

9.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，步骤S5中，将步骤S4中获得的泡沫铝基复合材料预制体放入电阻炉中进行加热发泡，加热温度为600～860℃，保温时间为1～25min。

10.根据权利要求1或9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，加热发泡完成后，对碳纳米管增强泡沫铝基复合材料进行水冷。