CN111118380B - 碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料，以碳纳米管和磷酸盐为协同增强相，以镍铝合金为基体，碳纳米管为基体体积的1~3vol.%，磷酸盐为基体质量的6~10wt.%。制备方法：1）按配比分别称取碳纳米管和磷酸盐，将碳纳米管、磷酸盐与镍铝合金混合得到初始配料；2）料置于多维摆动式球磨机进行3h无球摆动混粉，得到配料；3）将配料装入石墨模具中，通过粉末冷压机进行冷压处理得到冷压成型试样；4）将成型试样装入石墨模具中，通过放电等离子烧结炉进行烧结制得。本发明提出碳纳米管和磷酸盐协同增强，有效解决磷酸盐作为固体润滑剂导致基体材料强度降低的问题，且制备的复合材料具有优异宽温域摩擦学性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属基自润滑复合材料及其制备技术领域，更具体地，涉及一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
汽车、航空、航天和热能等高新技术领域发展对结构材料的高温及宽温域耐磨减摩性能提出更高要求，因此开发从室温到高温宽温域范围内均具有良好摩擦学性能的材料意义重大。然而，传统固体润滑剂存在缺陷和局限性：固体润滑剂通常是以牺牲基体材料强度为代价来改善材料摩擦学性能；固体润滑剂通常只能在较窄温度区间具有润滑作用，超出使用温度范围则会导致润滑失效甚至导致严重事故。因而，研究与探索新型固体润滑剂一直是必要的。
磷酸盐作为一类具有层状主体结构的化合物，其层板内原子间多为共价键结合，层间为范德华力或其它弱的静电相互作用，因此积极开发探索磷酸盐在润滑领域新的应用具有重要的意义。然而，目前磷酸盐在润滑领域的相关研究主要分为两类：润滑油/脂的添加剂（张效胜. 层状硅/磷酸盐及其改性材料的合成与摩擦学特性研究 [D]. 太原理工大学，2014.）和固体润滑剂的粘结剂（丁勇. 高温润滑涂层的制备及性能研究 [D]. 兰州理工大学，2011.），关于磷酸盐作为金属基复合材料的固体润滑剂尚待研究。此外，磷酸盐，类似石墨、MoS2等层状固体润滑剂，通常存在着以牺牲复合基体材料强度为代价来改善材料抗磨减摩性能的技术矛盾。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料及其制备方法，该复合材料有望成为具有高机械强度和优异宽温域摩擦学性能的新型结构材料，可为解决我国相关高技术领域的宽温域润滑问题提供研究基础积累和应用技术。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料，所述复合材料以碳纳米管和磷酸盐为协同增强相，以镍铝合金为基体，其中碳纳米管为基体材料体积的1~3vol. %，磷酸盐为基体材料质量的6~10wt.%，基体中镍元素、铝元素的质量比为1:1。
本发明中，所述磷酸盐是磷酸锰、磷酸铝、磷酸镁或磷酸锆中的一种。
一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的制备方法，主要包含以下步骤：
1）按基体材料体积的1~3vol.% 称取碳纳米管，按基体材料质量的6~10wt.%，称取磷酸盐，将碳纳米管、磷酸盐与镍铝合金混合得到初始配料；
2）将步骤1）所得配料置于多维摆动式球磨机进行3h无球摆动混粉，得到混合均匀配料；
3）将步骤2）所得配料装入内径为Φ20mm石墨模具中，通过粉末冷压机进行冷压处理，得到冷压成型试样；
4）将步骤3）所得试样装入内径为Φ20mm石墨模具中，通过放电等离子烧结炉进行烧结制备，得到碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料。
进一步，本发明中，所述步骤3）冷压成型工艺的成型压力为45MPa，保压时间为80秒，当保压结束后卸压脱模。
进一步，本发明中，所述步骤4）烧结制备工艺的保护气为氩气，烧结温度为1200℃，升温时间为10分钟，烧结压力为45MPa，保温时间为8分钟，当保温保压结束后随炉冷却至室温取出。
本发明的有益效果是：
1、本发明制备的碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料，具有高机械强度和优异宽温域摩擦学性能，在高技术领域的宽温域润滑结构材料中具有广泛应用前景；
2、本发明提出碳纳米管和磷酸盐协同增强，有效解决磷酸盐作为固体润滑剂导致基体材料强度降低问题；
3、原料来源广泛、制备过程安全、经济效益好，适合工业生产和推广应用。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
图2是实施例1制备的碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的摩擦系数和磨损率随温度变化图，摩擦试验条件：温度30~800℃、载荷10N、滑动速度0.2m/s、时间80min。
图3是实施例2制备的碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的摩擦系数和磨损率随温度变化图，摩擦试验条件：温度30~800℃、载荷10N、滑动速度0.2m/s、时间80min。
图4是实施例3制备的碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的摩擦系数和磨损率随温度变化图，摩擦试验条件：温度30~800℃、载荷10N、滑动速度0.2m/s、时间80min。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步对本发明加以说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料，它以碳纳米管和磷酸锆为协同增强相，以镍铝合金为基体，其中碳纳米管为基体材料体积的1vol.%，磷酸盐为基体材料质量的6wt.%。
上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）称取镍铝合金10克作为基体材料，按基体材料体积的1vol.%、基体材料质量的6wt.%，分别称取碳纳米管和磷酸盐，将碳纳米管、磷酸盐与镍铝合金混合得到初始配料；
2）将初始配料置于多维摆动式球磨机进行3h无球摆动混粉，得到混合均匀配料；
3）将混合均匀配料装入内径为Φ20mm石墨模具中，通过粉末冷压机进行压力为45MPa和时间为80秒的冷压，保压结束后卸压脱模得到冷压成型试样；
4）将成型试样装入内径为Φ20mm石墨模具中，通过放电等离子烧结炉，在烧结温度为1200℃，升温时间为10分钟，烧结压力为45MPa，保温时间为8分钟的真空氩气保护条件下烧结，烧结结束后随炉冷却至室温取出碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料。
采用维氏硬度仪测试施例1制得碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的硬度为5.46GPa。图2是实施例1制得碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的摩擦系数和磨损率曲线图，由图可知该复合材料在30~800℃的摩擦系数和磨损率分别为0.32~0.35和3.34~4.15×10-5mm3/(Nm)，表明该复合材料具有优异的宽温域润滑抗磨减摩性能。
实施例2
一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料，为以碳纳米管和磷酸锆为协同增强相，以镍铝合金为基体，其中碳纳米管为基体材料体积的2vol.%，磷酸盐为基体材料质量的8wt.%。
上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）称取镍铝合金10克作为基体材料，按基体材料体积的2vol.%、基体材料质量的8wt.%，分别称取碳纳米管和磷酸盐，将碳纳米管、磷酸盐与镍铝合金混合得到初始配料；
2）将初始配料置于多维摆动式球磨机进行3h无球摆动混粉，得到混合均匀配料；
3）将混合均匀配料装入内径为Φ20mm石墨模具中，通过粉末冷压机进行压力为45MPa和时间为80秒的冷压，保压结束后卸压脱模得到冷压成型试样；
4）将成型试样装入内径为Φ20mm石墨模具中，通过放电等离子烧结炉，在烧结温度为1200℃，升温时间为10分钟，烧结压力为45MPa，保温时间为8分钟的真空氩气保护条件下烧结，烧结结束后随炉冷却至室温取出碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料。
采用维氏硬度仪测试施例2制得碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的硬度为5.88GPa。图2是实施例2制得碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的摩擦系数和磨损率曲线图，由图可知该复合材料在30~800℃的摩擦系数和磨损率分别为0.30~0.32和2.88~3.48×10-5mm3/(Nm)，表明该复合材料具有优异的宽温域润滑抗磨减摩性能。
实施例3
一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料，为以碳纳米管和磷酸锆为协同增强相，以镍铝合金为基体，其中碳纳米管为基体材料体积的3vol.%，磷酸盐为基体材料质量的10wt.%。
上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）称取镍铝合金10克作为基体材料，按基体材料体积的3vol.%、基体材料质量的10wt.%，分别称取碳纳米管和磷酸盐，将碳纳米管、磷酸盐与镍铝合金混合得到初始配料；
2）将初始配料置于多维摆动式球磨机进行3h无球摆动混粉，得到混合均匀配料；
3）将混合均匀配料装入内径为Φ20mm石墨模具中，通过粉末冷压机进行压力为45MPa和时间为80秒的冷压，保压结束后卸压脱模得到冷压成型试样；
4）将成型试样装入内径为Φ20mm石墨模具中，通过放电等离子烧结炉，在烧结温度为1200℃，升温时间为10分钟，烧结压力为45MPa，保温时间为8分钟的真空氩气保护条件下烧结，烧结结束后随炉冷却至室温取出碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料。
采用维氏硬度仪测试施例3制得碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的硬度为5.62GPa。图2是实施例3制得碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的摩擦系数和磨损率曲线图，由图可知该复合材料在30~800℃的摩擦系数和磨损率分别为0.31~0.34和2.95~3.58×10-5mm3/(Nm)，表明该复合材料具有优异的宽温域润滑抗磨减摩性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料以碳纳米管和磷酸盐为协同增强相，以镍铝合金为基体，其中碳纳米管为基体材料体积的1~3vol.%，磷酸盐为基体材料质量的6~10wt.%，基体中镍元素、铝元素的质量比为1:1，磷酸盐是磷酸锰、磷酸铝、磷酸镁或磷酸锆中一种。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
1）按基体材料体积的1~3vol .% 称取碳纳米管，按基体材料质量的6~10wt .%称取磷酸盐，将碳纳米管、磷酸盐与镍铝合金混合得到初始配料；
2）将步骤1）所得初始配料置于多维摆动式球磨机进行3h无球摆动混粉，得到混合均匀的配料；
3）将步骤2）所得配料装入内径为Φ20mm的石墨模具中，通过粉末冷压机进行冷压处理，得到冷压成型试样；
4）将步骤3）所得冷压成型试样装入内径为Φ20mm的石墨模具中，通过放电等离子烧结炉进行烧结制备，得到碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料。
3.根据权利要求2所述的碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）冷压处理的压力为45MPa，保压时间为80秒，保压结束后卸压脱模。
4.根据权利要求2所述的碳纳米管和磷酸盐协同增强镍铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4）烧结制备时的保护气为氩气，烧结压力为45MPa，升温时间为10分钟，烧结温度为1200℃，保温时间为8分钟，当保温保压结束后随炉冷却至室温取出。
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