CN109926588B

CN109926588B - 一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法

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Publication number: CN109926588B
Application number: CN201910350381.9A
Authority: CN
Inventors: 纪箴; 陈明营; 刘博文; 贾成厂; 武秋池; 刘喆; 郎朝阳; 韩俊娇; 闫小琴
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-04-28
Filing date: 2019-04-28
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2039-04-28
Also published as: CN109926588A

Abstract

本发明提供了一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，属于泡沫铝基复合材料的制备技术领域。本发明技术方案首先对碳纳米管进行表面处理和分散，然后将其与铝粉按照一定质量配比采用机械混合的方式混合成复合粉末，加入一定质量的造孔剂，再研磨后放入模具中在液压机上进行压制成型，在低温和高温处理后得到碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。本发明制备方法简单，可以获得空隙率为40％～80％、孔径≤500um﹑且分布均匀的泡沫铝基复合材料。增强相碳纳米管的加入相对于纯泡沫铝在压缩屈服强度、抗弯强度、抗拉强度分别提高了134％、136％、241％。

Description

一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于泡沫铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法。

背景技术

泡沫铝是一种在铝基体中形成很多气孔的轻质多孔金属材料，同时兼有金属和气泡特征。它密度小、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力,具有优良的渗透、阻尼、电磁屏蔽等物理性能，广泛应用在冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域。由于泡沫铝的孔径大小、分布、孔隙率等因素对其自身性能的影响很大，有相关研究表明，随着泡沫铝孔径的减小，空隙分布均匀，其力学性能、吸声降噪以及阻尼等性能会随之提高。因此如何制备一种孔径大小一定且均匀分布，孔隙率能够精确控制的泡沫铝的制备工艺尤为重要。

泡沫铝基复合材料是在铝基体中加入颗粒或纤维等增强相，进而制备得到的轻质多孔材料。增强相的加入，有利于提高泡沫铝的综合性能，包括其力学性能以及一些功能性能。碳纳米管被发现以来，因其具有优异的力学、机械、导热和导电性等物化性能，以及低的密度和很高的比刚度，被作为增强相广泛应用于复合材料之中。然而，因碳纳米管比表面积很大，活性比较高，但与铝的表面结合性比较差，并且很容易造成团聚，使其在复合材料中分布不均匀，影响材料的性能。因此，如何使碳纳米管均匀分布于复合材料中，与基体铝有较好的表面结合性，是更好发挥碳纳米管增强效果的关键所在。

在泡沫铝的研究现状中，目前制备出的纯泡沫铝，压缩屈服强度只有几个兆帕或者十几个兆帕(孔隙率较低的泡沫铝)，泡沫铝合金尽管力学性能相比较纯泡沫铝有一定的提高，但其密度相对于纯泡沫铝有所增加。为了解决泡沫铝力学性能较低的问题，本发明提供一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，通过对碳纳米管进行表面修饰，使其均匀分散到复合材料中，利用铵盐作为造孔剂，能够制备出空隙率为40％～80％、孔径≤500um﹑且分布均匀的泡沫铝基复合材料。添加碳纳米管的泡沫铝基复合材料相对于纯泡沫铝力学性能提高了2-3倍。

发明内容

为了解决泡沫铝力学性能较低的问题，本发明的目的在于提供一种以碳纳米管作为增强相制备出碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，该方法制备工艺简单，制备得到的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的性能优异。添加碳纳米管的泡沫铝基复合材料相对于纯泡沫铝力学性能提高了2-3倍，并且孔径小、分布均匀，孔隙率也能够在一定范围内得到控制。

根据本发明的第一方面，提供一种碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：去除碳纳米管表面的杂质，将去除表面杂质后的碳纳米管放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中搅拌，超声后再进行离心，去除上层液，得到的碳纳米管浆液用去离子水稀释至中性，放入烘箱内烘干，对烘干后的碳纳米管进行研磨，将碳纳米管研磨成松散粉末；

步骤2：称取一定质量的碳纳米管粉末和铝粉，其中，将称取好的碳纳米管粉末与铝粉的混合粉末放入混料罐内，再在混料罐内加入刚玉球，在机械混料机上进行混合使两者粉末混合均匀；

步骤3：称取一定质量的铵盐造孔剂与混合均匀的碳纳米管粉末和铝粉的复合粉末，按一定的质量配比混合，进行研磨处理，研磨至铵盐颗粒散开为止；

步骤4：将步骤4混合好的粉末放入模具中，在液压机上压制成型，得到预制胚体；

步骤5：将预制胚体放入烘箱中，加温使其中的铵盐分解完全，然后在烧结炉内氩气保护氛围中烧结，最后得到碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。

进一步的，所述步骤1中去除碳纳米管表面的杂质具体包括：将碳纳米管放入浓硝酸中搅拌，在超声机里超声3～5h，超声完毕后，用去离子水稀释至中性，在烘箱中80～90℃烘干。

进一步的，所述混酸溶液中浓硫酸和浓硝酸体积比为2:1～4:1。

进一步的，将去除表面杂质后的碳纳米管放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中的步骤中，1g碳纳米管需用120ml的混酸溶液。

进一步的，步骤1中超声时间为6～8h，离心时间为20～30min，烘箱内温度为80～100℃。

进一步的，步骤2中碳纳米管粉末的质量分数为0.25％～1.5％。

进一步的，步骤2中刚玉球的直径为2～6mm，且球料比为3:1～5:1。

进一步的，步骤2中在机械混料机上进行混合的时间为5～6h。

进一步的，步骤3中所述铵盐造孔剂的质量分数为30％～70％。

进一步的，步骤4中压制成型的压力为300～400MPa。

进一步的，步骤5具体包括：将预制胚放入烘箱中，50～70℃下使其中的铵盐分解完全，然后在烧结炉内580～660℃氩气保护氛围中烧结3～4h，最后得到碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。

根据本发明的第二方面，提供一种根据如上任一方面制备的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料，所述碳纳米管增强泡沫铝基复合材料(碳纳米管的质量分数为0.25～1.5％，铝的质量分数为99.75～98.5％)的压缩屈服强度为10～40MPa，空隙率为40％～80％、孔径≤500μm。

本发明提供的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法的优点表现如下：

(1)本发明提供的碳纳米管分散方法简单、有效、快捷；

(2)采用研磨的方式混合铝粉与铵盐，能够使两者粉末均匀的分散，并且用时很短，可很大程度上缩短制备周期；

(3)通过控制铵盐的加入量，以及铝粉和铵盐混合的研磨时间可以实现对泡沫铝基复合材料的孔径大小分布及孔隙率的良好控制；

(4)铵盐作为造孔剂来源广泛、价格低廉、分解温度低，制备泡沫铝成本低；

(5)制备得到的泡沫铝孔径为微米级的，相对于其他方法制备得到的孔径很小，根据相关研究，孔径越小其力学性能以及相应的功能性能越好；

(6)泡沫复合材料中碳纳米管的加入，复合材料的力学性能皆有很大的提升；

(7)制备周期短，效率高。

附图说明

图1示出根据本发明的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法的流程图；

图2示出根据本发明实施例1制得的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的扫描电镜照片；

图3示出根据本发明实施例3制得的碳纳米管分布在泡沫铝基复合材料中的场发射扫描电镜照片；

图4示出根据本发明实施例1和3制得的纯泡沫铝和碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的拉伸曲线图；

图5示出根据本发明实施例1和3制得的纯泡沫铝和碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的压缩曲线图；

图6示出根据本发明实施例1和3制得的纯泡沫铝和碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的抗弯曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行说明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明。

一种增强泡沫铝基复合材料的制备方法，属于泡沫铝基复合材料的制备技术。该方法包括：首先对碳纳米管进行表面处理和分散，然后将其与铝粉按照一定质量配比采用机械混合的方式混合成复合粉末，加入一定质量的造孔剂，再研磨后放入模具中在液压机上进行压制成型，在低温和高温处理后得到碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。本发明制备方法简单，可以获得空隙率为40％～80％、孔径≤500um﹑且分布均匀的泡沫铝基复合材料。增强相碳纳米管的加入相对于纯泡沫铝在压缩屈服强度、抗弯强度、抗拉强度分别提高了134％、136％、241％。

如图1所示，根据本发明的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法包括：

步骤101：将碳纳米管放入浓硝酸中，1g碳纳米管需用浓硝酸50～70ml，然后用玻璃棒搅拌，在超声机里超声3～5h，超声完毕后，用去离子水稀释至中性，在烘箱中80～90℃烘干。此过程目的是去除碳纳米管表面的杂质，简称除杂。将除杂后的碳纳米管再放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中，其中浓硫酸和浓硝酸体积比为3:1，1g碳纳米管需用120ml的混酸溶液，用玻璃棒搅拌若干分钟后，超声6～8h，离心机里离心20～30min左右，去除上层液，得到的碳纳米管浆液用去离子水稀释至中性，烘箱内80～100℃烘干，最后对烘干好的碳纳米管进行研磨，研磨到碳纳米管为松散的粉末即可。

步骤102：称取一定质量的步骤101处理后的碳纳米管和600目的铝粉，其中碳纳米管的质量分数为0.25％～1.5％。将称取好的碳纳米管铝粉的混合粉末放入混料罐内，再在混料瓶内加入平均直径为4mm的刚玉球，球料比为3:1，在机械混料机上混合5～6h，使两者粉末混合均匀。

步骤103：称取一定质量的铵盐造孔剂和步骤102混合均匀的碳纳米管铝的复合粉末，按一定的质量配比混合，其中铵盐的质量分数为30％～70％，然后进行研磨处理，研磨至铵盐颗粒散开为止，因为铵盐易受潮，研磨步骤可以更好的使其与铝粉均匀混合。

步骤104：将步骤103混合好的粉末放入模具中，在300～400MPa的压力下在液压机上压制成型，得到预制胚。

步骤105：将预制胚放入烘箱中，50～70℃下使其中的铵盐分解完全，然后在烧结炉内580～660℃氩气保护氛围中烧结3～4h，最后得到具有一定强度一定空隙的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。

实施例1

一种增强泡沫铝基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)称取一定质量的铝粉和NH₄HCO₃，其中NH₄HCO₃占总质量的50％，将两种混合粉末进行研磨，得到混合均匀的复合粉末。

(2)将混合均匀的粉末放进直径为30mm的模具中，在液压机上以400MPa的压力进行压制，得到直径为30mm，高度为10mm的预制体。

(3)将预制体放进烘箱内，在50℃下对其进行加热，待NH₄HCO₃完全分解后，再将预制体放入烧结炉中，在640℃下烧结3h，得到纯泡沫铝。

实施例2

(1)将碳纳米管放入浓硝酸中，1g碳纳米管需用浓硝酸60ml，然后用玻璃棒搅拌若干分钟，在超声机里超声4h，超声完毕后，用去离子水稀释至中性，在烘箱中80℃烘干，此过程目的是去除碳纳米管表面的杂质，简称除杂；将除杂好的碳纳米管再放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中，其中浓硫酸和浓硝酸体积比为3:1,1g碳纳米管需用120ml的混酸溶液，用玻璃棒搅拌若干分钟后，超声6-8h，离心机里离心20min左右，去除上层液，得到的碳纳米管浆液用去离子水稀释至中性，烘箱内80℃烘干，最后对烘干好的碳纳米管进行研磨，研磨到碳纳米管为松散的粉体即可。

(2)称取一定质量的铝粉和碳纳米管，其中碳纳米管所占质量分数为0.5％，将两者混合粉末放进混料瓶内，再在混料品内放入刚玉球，其中球料比为3:1,。在混料机上机械混合6h，结束后得到混合均匀的碳纳米管/铝复合粉体。

(3)将步骤(2)所得的粉体与NH₄HCO₃进行混合，其中NH₄HCO₃所占质量分数为50％，将混合粉末进行研磨，得到混合均匀的复合粉末。

(4)将步骤(3)混合均匀的粉末放进直径为30mm的模具中，在液压机上以400MPa的压力进行压制，得到直径为30mm，高度为10mm的预制体。

(5)将预制体放进烘箱内，在50℃下对其进行加热，待NH₄HCO₃完全分解后，再将预制体放入烧结炉中，在640℃下烧结3h，得到碳纳米管质量分数为0.5％的碳纳米管增强泡沫基复合材料。

实施例3

(2)称取一定质量的铝粉和碳纳米管，其中碳纳米管所占质量分数为0.75％，将两者混合粉末放进混料瓶内，再在混料品内放入刚玉球，其中球料比为3:1,。在混料机上机械混合6h，结束后得到混合均匀的碳纳米管/铝复合粉体。

(5)将预制体放进烘箱内，在50℃下对其进行加热，待NH₄HCO₃完全分解后，再将预制体放入烧结炉中，在640℃下烧结3h，得到碳纳米管质量分数为0.75％的碳纳米管增强泡沫基复合材料。

实施例4

(2)称取一定质量的铝粉和碳纳米管，其中碳纳米管所占质量分数为1％，将两者混合粉末放进混料瓶内，再在混料品内放入刚玉球，其中球料比为3:1。在混料机上机械混合6h，结束后得到混合均匀的碳纳米管/铝复合粉体。

(5)将预制体放进烘箱内，在50℃下对其进行加热，待NH₄HCO₃完全分解后，再将预制体放入烧结炉中，在640℃下烧结3h，得到碳纳米管质量分数为1％的碳纳米管增强泡沫基复合材料。

表1实施例的力学性能

需要指出的是，根据本发明的技术方案，上述实施例还可举出许多，凡在本发明的涉及范围内，所作的任何替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

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，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将碳纳米管放入浓硝酸中，1g碳纳米管需用浓硝酸50～70ml，然后用玻璃棒搅拌，在超声机里超声3～5h，超声完毕后，用去离子水稀释至中性，在烘箱中80～90℃烘干，去除碳纳米管表面的杂质，将去除表面杂质后的碳纳米管放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中搅拌，超声后再进行离心，去除上层液，得到的碳纳米管浆液用去离子水稀释至中性，放入烘箱内烘干，对烘干后的碳纳米管进行研磨，将碳纳米管研磨成松散粉末；

步骤2：称取一定质量的碳纳米管粉末和铝粉，将称取好的碳纳米管粉末与铝粉的混合粉末放入混料罐内，再在混料罐内加入刚玉球，在机械混料机上进行混合使两者粉末混合均匀，碳纳米管粉末的质量分数为0.25%~1.5%，刚玉球的直径为2~6mm，且球料比为3:1~5:1，在机械混料机上进行混合的时间为5~6h；

步骤3：称取一定质量的铵盐造孔剂与混合均匀的碳纳米管粉末和铝粉的复合粉末，按一定的质量配比混合，进行研磨处理，研磨至铵盐颗粒散开为止，所述铵盐造孔剂占总体的质量分数为30%~70%；

步骤4：将步骤3混合好的粉末放入模具中，在液压机上压制成型，得到预制胚体；

步骤5：将预制胚体放入烘箱中， 50~70℃下使其中的铵盐分解完全，然后在烧结炉内580~660℃氩气保护氛围中烧结3~4h，最后得到压缩屈服强度为10～40MPa、孔隙率为40％～80％以及孔径≤500μm的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混酸溶液中浓硫酸和浓硝酸体积比为2:1~4:1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将去除表面杂质后的碳纳米管放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中的步骤中，1g碳纳米管需用120 ml的混酸溶液。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中将去除表面杂质后的碳纳米管放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中搅拌，超声后再进行离心的超声时间为6~8h；离心时间为20~30min；将去除表面杂质后的碳纳米管放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中搅拌，超声后再进行离心，去除上层液，得到的碳纳米管浆液用去离子水稀释至中性，放入烘箱内烘干的烘箱内温度为80~100℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中压制成型的压力为300~400MPa。

6.一种通过根据权利要求1至5任一项所述的制备方法制备的碳纳米管增强泡沫铝基复合材料，其特征在于，所述碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的压缩屈服强度为10～40MPa，孔隙率为40%~80%，孔径≤500μm。