CN113174518A - 一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，包括单壁碳纳米管为0.05wt％～0.25wt％，协同增强相Al3Sc为0.05wt％～0.7wt％，余量铝基体为99.05wt％～99.9wt％；并通过单壁碳纳米管、协同增强相和铝基体原料在超声波分散混合均匀进行混合，热压烧结得到高强塑性铝基复合材料；该单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，制备过程产生少量的Al4C3也有增强铝基体的作用，且铝基体中添加第二相Al3Sc固溶强化或者固溶铝中弥散强化，本发明铝基复合材料的抗拉强度为300MPa～440MPa，延伸率为10％～25％。

Description

一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金基复合材料技术领域，特别涉及一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，以及该复合材料的制备方法。
背景技术
型材6061铝合金广泛应用于装饰、包装、建筑、运输、电子、航空、航天、兵器等各行各业。航空航天用铝材用于制作飞机蒙皮、机身框架、大梁、旋翼、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭锻环、宇宙飞船壁板等。交通运输用铝材用于汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零件、空调器、散热器、车身板、轮毂及舰艇用材。在增强基复合材料技术领域，铝合金基复合材料具有比强度和比模量高，热膨胀系数低，高温性能好的特点，且兼具有良好的耐疲劳性和耐磨性；同时铝合金基复合材料基体选择范围广、材料加工工艺成熟，具有优良的塑性成形性能，同时可热处理性能好，易于加工制备。通过对铝合金基复合材料基体和增强相成分、含量、分布的优化设计，可以组合出特定的力学性能和物理性能，以满足不同产品性能的需求。
该6061属于Al-Si-Mg系合金，是一种可以进行热处理强化的中高强度铝合金，具有轻质高强、耐腐蚀性能好的特点，同时兼具较好的韧性和良好的焊接性能及机械加工性能。该合金中加入微量的元素，可促进晶粒细化，提高再结晶温度250℃～280℃，是铝合金强有力的晶粒细化剂和有效的再结晶抑制剂，对合金的结构和性能产生明显的影响，使其强度、硬度、焊接性能、耐腐蚀性能等得到很大提高。其弥散强化作用，在热加工或退火处理状态均保持稳定的非再结晶组织，其中一些合金是经变形很大的冷轧薄板，即使在退火后仍保持这种结构。但是，采用单壁碳纳米管增强该铝基复合材料商业产品少，且其制备工艺复杂，综合性能难以控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，其单壁碳纳米管和Al3Sc作为协同增强相对6061铝基材料起增强作用，该复合材料通过热压烧结的制备方法，从而形成单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料；该方法为制备高性能铝基复合材料提供了一种性能稳定，工艺可控，可实现工业化的新方法和新思路。
为了实现上述目的，本发明提供一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，包括单壁碳纳米管为0.05wt％～0.25wt％，协同增强相Al3Sc为0.05wt％～0.7wt％，余量铝基体为99.05wt％～99.9wt％；其中，所述铝基体为6061铝合金，所述6061铝合金为预合金粉。
所述预合金粉6061铝合金组分为：Si：0.4～0.8wt％；Zn：≤0.25wt％；Cu：0.15～0.4wt％；Mg：0.8～1.2wt％；Mn：≤0.15wt％；余量为Al。
为了实现上述目的，本发明还提供制备该单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1原料混合，分别称取单壁碳纳米管为0.05wt％～0.25wt％，协同增强相Al3Sc为0.05wt％～0.7wt％，余量铝基体为99.05wt％～99.9wt％为原料；将称取的单壁碳纳米管、协同增强相和铝基体原料在超声波分散混合均匀，得到混合粉末；
S2热压烧结，将步骤S1混合均匀的粉末进行真空热压烧结，得到6061铝合金的铝基复合材料胚体。
优选的，步骤S1所述预合金的平均粒度选取范围为1微米～30微米。
优选的，步骤S1所述超声波分散时间为60min～240min。
优选的，步骤S1所述混合时间为60min～300min。
优选的，步骤S2所述热压压力为10MPa～30MPa。
优选的，步骤S2所述烧结在真空中进行，烧结温度500～550℃，该铝基复合材料胚体经过热压烧结得到的复合材料内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小、性能优异的复合材料。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，通过专门添加单壁碳纳米管(SCNTs)和协同增强相作为增强相，提高了复合材料的强度；其制备过程产生少量的Al4C3和Al3Sc具有增强铝基体的作用，同时铝基体中的合金化元素Zn、Cu、Mg、Mn和Si形成第二相固溶强化或者固溶铝中弥散强化。
2、本发明的单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，制备过程产生少量的Al4C3也有增强铝基体的作用，且铝基体中添加第二相Al3Sc固溶强化或者固溶铝中弥散强化。本发明制备的铝基复合材料具有优异的综合性能。实验测试证明，本发明铝基复合材料的抗拉强度为300MPa～440MPa，延伸率为10％～25％。
附图说明
图1为一实施例的该单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的显微组织照片；
图2为另一实施例的该单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的显微组织照片。
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，对本发明作进一步的详细说明，以使本领域技术人员能够充分理解本发明的技术内容。应当说明的是，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。
本发明的单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料以6061铝合金作为铝基的制备复合材料，通过添加较少的增强相单壁碳纳米管(SCNT)为0.05wt％～0.25wt％，协同增强相Al3Sc为0.05wt％～0.7wt％，余量铝基体为99.05wt％～99.9wt％。其中铝基体中6061铝合金粉末为预合金粉，该预合金粉依据下列组分配制而成，Si：0.4～0.8wt％；Zn：≤0.25wt％；Cu：0.15～0.4wt％；Mg：0.8～1.2wt％；Mn：≤0.15wt％；余量为Al。该单壁碳纳米管作为增强相，通过专门添加单壁碳纳米管(SCNTs)和协同增强相作为增强相，提高了复合材料的强度；其制备过程产生少量的Al4C3和Al3Sc具有增强铝基体的作用，同时铝基体中的合金化元素Zn、Cu、Mg、Mn和Si形成第二相固溶强化或者固溶铝中弥散强化。
本发明还提供了单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的制备方法，该铝基复合材料的制备方法采用粉末冶金方法，单壁碳纳米管/6061铝基复合材料，包括如下步骤：
a)将增强相单壁碳纳米管(SCNT)为0.05wt％～0.25wt％，协同增强相Al3Sc为0.05wt％～0.7wt％，余量铝基体为99.05wt％～99.9wt％的原料混合，得到混合粉末；该铝基体为6061铝合金粉末的预合金粉。
b)将混合粉末进行真空热压烧结，烧结温度为500℃～550℃，压力10～30MPa；
步骤a)为将原料混合的过程，本发明的混合方式主要采用真空干磨，为了使各种原料充分混合，上述混合时间优选为60min～180min，采用球磨混合球磨30min停止30min共球磨120min优选为2～4循环次。作为优选方式，所述单壁碳纳米管的管径1～20纳米，长度0.5～30微米；所述6061预合金粉末的粒度为1微米～30微米，作为优选方案，本发明在原料中还添加了0.1～1wt％的分散剂(吐温80)，使单壁碳纳米管在超声波中分散。
步骤b)为混合粉末的真空热压烧结的过程，烧结压力优选为10MPa～30MPa。对于压制方式可以选择本领域技术人员熟知的方式，如将混合粉末置于石墨模具中双向加压，放入烧结炉，烧结温度为500℃～550℃，压力10～30MPa；保温时间1小时。
本发明在制备过程铝基复合材料过程中，经过粉末冶金烧结制备高性能铝基复合材料，在粉末烧结过程中，单壁碳纳米管和Al3Sc在铝合金基体中均匀分布，有助于提高复合材料的强度Al3Sc改善铝合金塑性。本发明铝基复合材料的抗拉强度为300MPa～440MPa，延伸率为10％～25％。
实施例1
(1)单壁碳纳米管为0.15wt％(超声分散1小时，吐温0.1％)，基Al3Sc(0.1wt％)，铝基体成分：6061铝合金(99.75wt％)，粉末平均粒度9微米。真空干磨180分钟得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度550℃，压力10MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例2
(1)单壁碳纳米管为0.2wt％(超声分散1.5小时，吐温0.5％)，基Al3Sc(0.2wt％)，铝基体成分：6061铝合金(99.6wt％)，粉末平均粒度15微米。真空干磨120分钟得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度500℃，压力20MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例3
(1)单壁碳纳米管为0.25wt％(超声分散2小时，吐温0.8％)，基Al3Sc(0.05wt％)，铝基体成分：6061铝合金(99.7wt％)，粉末平均粒度25微米。真空干磨240分钟得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度530℃，压力15MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施例4
(1)单壁碳纳米管为0.1wt％(超声分散2.5小时，吐温0.9％)，基Al3Sc(0.4wt％)，铝基体成分：6061铝合金(99.5wt％)，粉末平均粒度20微米。真空干磨180分钟得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度550℃，压力25MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施案例5
(1)单壁碳纳米管为0.05wt％(超声分散4小时，吐温0.6％)，基Al3Sc(0.6wt％)，铝基体成分：6061铝合金(99.35wt％)，粉末平均粒度30微米。真空干磨300分钟得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度520℃，压力30MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施案例6
(1)单壁碳纳米管为0.1wt％(超声分散5小时，吐温0.3％)，基Al3Sc(0.5wt％)，铝基体成分：6061铝合金(99.4wt％)，粉末平均粒度10微米。真空干磨150分钟得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度540℃，压力18MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
实施案例7
(1)单壁碳纳米管为0.1wt％(超声分散3.5小时，吐温0.55％)，基Al3Sc(0.7wt％)，铝基体成分：6061铝合金(99.2wt％)，粉末平均粒度22微米。真空干磨220分钟得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加真空热压烧结(温度520℃，压力23MPa)，得到胚体；
按照上述方法制备的铝基复合材料进行性能检测，结果参见表1。
表1实施例1～7制备的铝基复合材料的性能测试结果
组别 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 343 18.4
实施例2 365 17.5
实施例3 379 16.9
实施例4 384 16.6
实施例5 387 16.5
实施例6 321 19.1
实施例7 334 18.7
由表1可知，本发明提供的铝基复合材料具有较高的综合性能，可通过调节成分和加工工艺进行性能组合，具有广阔的应用前景。本发明的单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，经过多向锻造进一步提高致密度和强度，其6061铝基复合材料具有优异的综合性能。实验测试表明，本发明铝基复合材料的抗拉强度为300MPa～440MPa，延伸率为10％～25％。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，包括单壁碳纳米管为0.05wt％～0.25wt％，协同增强相Al3Sc为0.05wt％～0.7wt％，余量铝基体为99.05wt％～99.9wt％；其中所述铝基体为预合金粉。
2.根据权利要求1所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，其特征在于：所述单壁碳纳米管的管径1～20纳米，长度0.5～30微米；所述预合金粉的平均粒度为1微米～30微米。
3.根据权利要求1或2所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，其特征在于：所述预合金粉组分为Si：0.4～0.8wt％；Zn：≤0.25wt％；Cu：0.15～0.4w％；Mg：0.8～1.2wt％；Mn：≤0.15wt％；余量为Al。
4.根据权利要求3所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料，其特征在于：所述预合金粉中还添加了0.1～1wt％的分散剂。
5.根据权利要求1～4任一项所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1原料混合，分别称取单壁碳纳米管为0.05wt％～0.25wt％，协同增强相Al3Sc为0.05wt％～0.7wt％，余量铝基体为99.05wt％～99.9wt％为原料；将称取的单壁碳纳米管、协同增强相和铝基体原料在超声波分散混合均匀，得到混合粉末；
S2热压烧结，将步骤S1混合均匀的粉末进行真空热压烧结，得到铝基复合材料胚体。
6.根据权利要求5所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1所述超声波分散时间为60min～240min。
7.根据权利要求5所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1所述混合时间为60min～300min。
8.根据权利要求5所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2所述热压压力为10MPa～30MPa。
9.根据权利要求5所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2所述烧结温度为500～550℃。
10.根据权利要求9所述一种单壁碳纳米管协同增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为520～530℃。
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