CN108411141B - 一种碳铝复合吸波材料的制备方法 - Google Patents

一种碳铝复合吸波材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳铝复合吸波材料及其制备方法。此吸波材料铝合金为基体，碳纳米管为添加剂，铝基体内部均匀无序的分布纳米至毫米级的孔隙，其中包含碳纳米管的管状结构。本发明的吸波材料具有优异的隔声和吸波性能，以及高强度、低比重等特点。

Description

一种碳铝复合吸波材料的制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种碳铝复合吸波材料及其制备方法。
背景技术
所谓吸波材料，指能吸收或者大幅减弱投射到它表面的振动波能量的一类材料。常用吸波材料种类很多，包括可吸收电磁波的石墨、铁氧体、碳化硅、导电聚合物，和可吸收机械波的有机纤维材料、无机纤维材料、泡沫材料和吸波建筑材料等。但上述声波吸波材料对强噪声的消声效果差，而且使用寿命较短，易变形，安全性差，上述电磁波吸波材料的吸波效果密度大，高温特性差等问题。目前仍未能得到一种综合性能优秀，且对电磁波和声波均有较高的吸收率的吸波材料。
发明内容
为解决现有技术的存在的技术问题，本发明提出一种碳铝复合吸波材料及其制备方法。
为实现上述碳铝复合吸波材料方案，本发明提供了一种碳铝复合吸波材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)通过表面化学镀处理，使碳纳米管表面包覆金属单质或合金，得到化学镀碳纳米管；
(2)采用喷粉的方式将化学镀碳纳米管加入熔融的铝合金中，通过机械搅拌分散，使化学镀碳纳米管全部被铝合金熔体浸润，然后对熔体进行机械搅拌和超声分散处理，并伴随间歇式的高速和低速循环搅拌，使化学镀碳纳米管均匀地分散在铝合金熔体中；
(3)向上述铝熔体中加入发泡剂，通过机械搅拌使其均匀分布，迅速浇注在准备好的模具中，铝熔体在恒压下膨胀泡沫化，自然冷却后即得到碳纳米管复合的泡沫铝吸波材料；
(4)对上述碳纳米管复合的泡沫铝吸波材料进行表面陶瓷化处理，即得到碳铝复合吸波材料。
优选地，所述包覆金属单质或合金的碳纳米管，其中，碳纳米管质量占总质量的20～60％。
优选地，所述碳纳米管的外径为10～200nm，内径为1～10nm，碳纳米管长度为0.1～20μm。
优选地，所述化学镀碳纳米管的金属镀层，包括但不限于单质镍、镍磷合金、单质铜。
优选地，所述步骤(2)中，搅拌分散熔融的铝合金，包括对铝合金熔体进行机械搅拌和超声分散处理，并伴随间歇式的高速和低速循环搅拌，使化学镀碳纳米管均匀地分散在铝合金熔体中。
优选地，步骤(4)的表面陶瓷化处理方法，包括但不限于化学氧化、阳极氧化、微弧氧化。
优选地，所述碳铝复合吸波材料中碳纳米管的质量含量为1～30％。
本发明提供的技术方案采用碳纳米管与铝合金为主要原料。其中，碳纳米管的添加，一方面在熔炼过程中增加了熔体粘度，使熔炼过程无需添加增粘剂，另一方面可以明显提高铝合金的比强度，尤其碳纳米管表面的化学镀金属层，可极大改善碳纳米管与铝合金的相容性和结合强度，进一步提高铝合金基体的强度，在相同应用条件下，材料强度的提高可以提供更高的孔隙率，进而增大声波在材料内部传输距离。同时，分布在铝合金表面的碳纳米管具有纳米级开放的孔隙结构，使多孔铝合金材料具备更高的孔隙表面积。以上两方面共同作用，使声波在材料内部传播的过程更长，从而将更多的振动能转变为热能并被不断消耗，从而得到更佳的吸波效果。
同时，本发明提供的碳铝复合吸波材料在多孔铝合金基体中引入了碳纳米管。碳纳米管极高的比表面积和高比例表面原子，容易造成入射波的多重散射；大量的晶体缺陷和悬挂键使碳纳米管中形成固有电矩，在磁场中容易形成取向极化，增加材料的介电损耗。量子尺寸效应使电子的能级分裂，分散后的能级间隔处为微波的吸收提供了新的通道。由于小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应的共同作用，使碳纳米管表现出优秀的的吸波性能，引入碳纳米管的多孔铝合金基体也被赋予优异的吸波性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行更详细地说明。
实施例1
将2024铝合金8kg装入清理干净的感应炉内，在氩气保护条件下，加热至710℃，待冷料全部熔化后，扒出净熔体表面的浮渣。将炉温降至700℃，通入0.2％～0.4％六氯乙烷精炼剂进行炉内精炼。精炼完成后，扒净熔体表面浮渣。
对上述铝合金熔体进行机械搅拌，搅拌速度为200rpm。采用喷粉的方式，以氩气为载体，将2kg制备的表面化学镀镍磷合金的碳纳米管(碳含量50wt.％)均匀送入熔体内部。
待加料完成且化学镀碳纳米管完全浸润后，对熔体进行以超声分散，并按顺序以1000rpm搅拌20min，以600rpm搅拌10min，以1000rpm搅拌20min，以600rpm搅拌10min，通过机械搅拌配合超声处理，使碳纳米管均匀分散在铝合金熔体中，此时随着碳纳米管的加入和分散，熔体粘度逐渐升高。然后提高搅拌速度至1500rpm，采用喷粉的方式将100g氢化钛发泡剂(经300℃预热2h)迅速分散在熔体中发泡，搅拌均匀后移出搅拌器，待铸块随炉自然冷却凝固后，取出铸块经机械加工，即得到碳铝复合吸波材料。
经检测实施例1制备得到的吸波材料孔隙率约91％，取直径5cm，厚3cm的样品做吸波性能测试，对200Hz的低频噪音的吸波系数约0.6。
对照例
将2024铝合金8kg装入清理干净的感应炉内，在氩气保护条件下，加热至710℃，待冷料全部熔化后，扒出净熔体表面的浮渣。将炉温降至700℃，通入0.2％～0.4％六氯乙烷精炼剂进行炉内精炼。精炼完成后，扒净熔体表面浮渣。
对上述铝合金熔体进行机械搅拌，搅拌速度为200rpm，同时向熔体中加入单质Ca，加料完成后对熔体进行以超声分散，并按顺序以1000rpm搅拌20min，以600rpm搅拌10min，以1000rpm搅拌20min，以600rpm搅拌10min，通过机械搅拌配合超声处理，使CaAl2和CaAl4充分分散在铝熔体中。然后增大搅拌速度至1500rpm，采用喷粉的方式将100g氢化钛发泡剂(经300℃预热2h)迅速分散在熔体中发泡，搅拌均匀后移出搅拌器，待铸块随炉自然冷却凝固后，取出铸块经机械加工，即得到泡沫铝材料。
经检测实施例1制备得到的吸波材料孔隙率约91％，取直径5cm，厚3cm的样品做吸波性能测试，对200Hz的低频噪音的吸波系数约0.6。
Figure BDA0001604704760000041
以上已对本发明的优选实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种碳铝复合吸波材料的制备方法，其由以下步骤组成：
(1)通过表面化学镀处理，使碳纳米管表面包覆镀镍磷合金，得到化学镀碳纳米管；其中，碳纳米管质量占总质量的20～60％；
(2)采用喷粉的方式将步骤(1)得到的表面包覆镀镍磷合金的化学镀碳纳米管加入到熔融的铝合金中，搅拌分散，使化学镀碳纳米管均匀分散在铝合金熔体中；步骤(2)中，搅拌分散熔融的铝合金，包括对铝合金熔体进行机械搅拌和超声分散处理，并伴随间歇式的高速和低速循环搅拌，使化学镀碳纳米管均匀地分散在铝合金熔体中；
(3)向步骤(2)得到的铝合金熔体中加入发泡剂，搅拌使发泡剂均匀分布，然后迅速浇注在准备好的模具中，自然冷却后即得到碳纳米管复合的泡沫铝吸波材料；
(4)对上述碳纳米管复合的泡沫铝吸波材料进行表面陶瓷化处理，即得到碳铝复合吸波材料；碳铝复合吸波材料中碳纳米管的质量含量为1～30％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管的外径为10～200nm，内径为1～10nm，碳纳米管长度为0.1～20μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中表面陶瓷化处理方法，包括化学氧化、阳极氧化、微弧氧化方法。
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