CN111172421A - 一种由粉末冶金制备的含铜铝-富勒烯/富勒烯碳粉的复合材料及其制备方法 - Google Patents

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拉里奥诺娃·季扬娜
尤努索夫·菲鲁兹
刘向东
孙永青
梁旭
马腾娇
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Abstract

本发明提出了一种铝‑富勒烯致密复合材料及通过粉末冶金制备此复合材料的方法。初始组分包括99.0纯度的铝，0.5‑4.0wt.％的富勒烯、富勒烯混合物或富勒烯碳粉，0.5‑2.0wt.％的铜和其他添加剂。添加铜以改善致密性。该复合材料具有弥散强化结构，该结构包括Al基质和通过碳化物界面层与Al基质内聚结合的碳纳米颗粒。该复合材料具有高比强度和硬度，并保持高导电性。

Description

一种由粉末冶金制备的含铜铝-富勒烯/富勒烯碳粉的复合材 料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝基复合材料及其制造方法，所述铝基复合材料包括富勒烯和碳化铝作为强化相。 更具体来说，本发明涉及具有提高强度的纳米碳增强铝基复合材料，其中通过添加铜来改善纳米碳 - 铝基复合粉末的压实性能。
背景技术
与钛，铍和其他合金相比，铝基合金由于其特殊的强度，可用性和低成本而获得了极大的广泛应用。 然而，在没有密度增长的情况下提高铝基合金强度的尝试从未停止。在开发新的铝合金的同时，通过粉末冶金制备的铝基复合材料正在积极地进行研究。纳米碳材料由于其优异的物理机械性能和丰富性而被认为是最佳增强剂之一。
纳米碳添加剂对铝的强化归因于晶界细化，弥散强化，良好的载荷传递和固溶强化。研究认为层间碳化物形成有利于碳纳米管之间的粘附，并且Al基质可导致更好的载荷传递。
根据以上所述，公开了一种铝基纳米结构复合材料（RU2440433），其由铝合金和富勒烯C60组成，其分子量为0.5-12wt％；其中，分子C60位于铝合金晶粒的表面上。
公开了一种包含铝和碳的铝-碳组合物（WO2012122035），其中铝和碳形成单相材料。在本发明中，碳与熔融铝混合，并且在混合时施加电流。
公开了一种纳米碳增强铝复合材料（US2015 / 0292070），将纳米碳，特别是纳米管，纳米纤维和石墨烯与金属粉末混合，然后加入到熔融铝中并浇铸。为了改善纳米碳颗粒在金属基质中的分布，在混合之前，纳米碳涂覆有陶瓷。
公开了一种在铝和碳材料之间形成Al-C共价键的方法（US2009 / 0176090），该方法可能包括在碳材料中引入缺陷，通过用酸，微波或等离子体处理碳材料来使碳材料官能化的步骤。
公开了一种制造具有高隔热和高强度的铝-细碳材料复合物的方法（WO2014129695）。 为了制造铝-细碳材料的复合物，首先将铝粉和细碳材料分散，以获得铝-细碳材料的混合物粉末。然后，将分散的铝-细碳材料的混合物粉末烧结并成形。之后，将铝-细碳材料的烧结复合物热挤压。
公开了具有高强度和导电性的纳米碳/铝复合材料和使用电镀液生产它的方法（US20090277793）。
一种包括铝和作为强化相的碳化铝的铝基复合材料及其制造方法被公开（WO2015186423）。制造方法包括通过在600-660℃的温度下加热生坯以使碳材料与铝粉中的铝反应的步骤。
在制造Al/纳米碳或Al/碳复合材料时，使用两种制造方法：粉末冶金和铸造。
通过粉末冶金形成铝/碳材料复合物伴随着几个问题。首先，碳难以均匀地分散在铝基质中。其次，碳纳米颗粒倾向于聚集；此外，被碳覆盖的铝颗粒难以烧结。此外，该复合材料具有许多空隙和孔隙，并且复合材料的特性差。因此，需要许多复杂的方法来防止纳米碳颗粒聚集。
通过铸造制造Al/纳米碳复合材料具有以下问题：首先，由于液态铝的润湿性差和密度差异，碳纳米颗粒的倾向于聚集；第二，液态铝与碳反应形成碳化物，在高温下变得粗糙。
发明内容
本发明已设计并解决上述提到的问题。本发明提供一种纳米碳增强铝基复合材料及其制备方法，其中纳米碳颗粒均匀分布在铝基质中并通过相间碳化物层与基质共价结合。
本发明的一个部分为提供一种制造具有高密度的纳米碳增强铝基复合致密材料的方法，包括向Al/纳米碳粉末中添加0.5-2wt.％的纯铜和1-6wt.％ 的其他添加剂。
该方法可以包括以下步骤：将富勒烯富勒烯、富勒烯混合物或富勒烯碳粉与Al和Cu金属粉末以及其他添加剂混合以制备复合粉末；将混合粉末以200rpm球磨30-120分钟，再以400-700rpm球磨15-120分钟，与纯铝混合，并压实。
为防止氧化，球磨在氩气中进行。
其它添加剂可包括硬脂酸，氟化物和碱性氯化物，碱土金属。
复合粉末的压实可以通过在200-500MPa，400-500℃下热压进行。
通过球磨获得的复合Al-纳米碳粉末可以在球磨机中以3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3的比例与纯铝粉末混合，以100-700的转速研磨10-120分钟，或在搅拌球磨中研磨10-120分钟。
如果需要，可以通过热挤压和热轧进行复合粉末的压实。
热轧可以用方形口径进行。
本发明的另一部分为提供一种纳米碳增强铝基复合材料，其中所述纳米碳颗粒均匀分布在铝基质中并通过相间碳化物层共价结合到基质上。
附图说明
通过结合以下附图的详细描述，将更清楚地理解本发明上述及其他目的，特征和优点。
图1是所述Al-纳米碳致密复合材料的光学照片，显示不含铜（a）和添加铜（b）热压后的表面。 含有铜的复合物更致密，没有观察到空隙。添加到粉末中的金属铜改善了烧结性能。
图2是在压实和元素分散之后Al-2wt.％，C-2wt.％Cu样品微观结构的电子显微镜图像照片。该图显示了Al基质中碳的分布非常精细和均匀，碳颗粒没有附聚。
图3是经混合，球磨和压实后，Al-2wt.％C-2wt.％Cu复合物的X射线衍射分析结果图解。该图表明，在压实过程中，金属铜与铝反应并形成Cu2Al，据推测，在该反应过程中释放的热量有助于Al-纳米碳复合物颗粒烧结。该图显示了碳化物Al4C3的形成。富勒烯不能通过这种方法确定的。
图4是X射线光电子能谱分析的结果图。该图表明，只有部分碳与铝反应形成碳化物Al4C3，属于富勒烯的C-C键的主要部分仍然存在。
图5是根据本发明添加铜的Al-纳米复合材料的显微硬度试验结果。这种效果在很大程度上是由于铜添加引起的烧结性的改善和无空隙结构，而Cu固溶和Cu2Al相硬化的影响较小，因为使用Al-Cu合金粉末没有达到相同的效果。
图6通过热挤压和方形口径轧制压实的铝-纳米碳复合材料的微观结构的光学显微照片。微观结构非常精细和均匀。
图7是挤压出的铝-纳米碳复合材料的弯曲变形曲线。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述反应物如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例一
为了制造本发明的纳米碳增强铝复合材料，将0.24g富勒烯与12g纯铝，0.24g Cu，0.1gNaCl，0.1g KCl，0.18g CaF2 和0.12g 硬脂酸混合。
将粉末混合物在氩气气氛中球磨。容器和球的原料：钢；球尺寸：5毫米；球与粉末的重量比：10：1；研磨速度：200转/分钟，研磨时间：30分钟；之后的研磨速率：600rpm，研磨时间：120分钟。为了防止加热，每15分钟停止研磨并将含有粉末的容器在室温下冷却。
为了压实，将24g复合粉末在400MPa下压制，然后在Т=480℃下加热2小时，然后在200MPa下热压。
材料表面的光学图像如图1（b）所示。
在表1中示出根据实施例1制造的Al-纳米碳复合材料性质。
实施例二
以与实施例1相同的方式制备纳米碳增强铝复合粉末。将50g复合粉末与50g纯铝粉，1g铜，0.3g NaCl，0.3g KCl，0.7g CaF2混合。
将粉末混合物在氩气气氛中球磨。容器和球的原料：钢；球尺寸：5毫米; 球与粉末的重量比：10：1；研磨速度：200转/分钟，研磨时间：15分钟；之后的研磨速率：600rpm，研磨时间：15分钟。
将粉末放入由铝合金制成的容器中；容器尺寸：长70毫米，直径30毫米，壁厚2毫米。
将粉末在容器中在50MPa下冷压，加热至400℃，然后挤压。
之后，将纳米碳增强铝致密材料在方形口径中轧制，压下率为11，温度为400±20℃。
材料的微观结构和性能在图6和图7中示出。
在表1中示出根据实施例2制造的Al-纳米碳复合材料性质。
Figure 635204DEST_PATH_IMAGE002
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，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，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 (4)

1.一种制备纳米碳增强铝基复合材料的方法，包括：混合，球磨和压实所述粉末，包括在球磨之前向Al和纳米碳混合物中添加金属铜和其他添加剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米碳包括富勒烯、富勒烯混合物或富勒烯碳粉等; 其它添加剂包括选取自由硬脂酸，氟化物，碱性物和碱土金属的氯化物组成的组合中的至少一种。
3.权利要求1的方法，还包括步骤：在热挤出之前，将Al-纳米碳复合粉末与Al金属粉末混合。
4.一种由粉末冶金制备纳米碳增强铝基复合材料，其中纳米碳颗粒均匀分布在铝基体中，且通过相间碳化物层共价结合到基体上。
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