CN1730688A - 气相沉积原位反应制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法 - Google Patents

气相沉积原位反应制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气相沉积原位反应制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法。本发明采用原位合成的方法以铝基体粉末为载体，用化学沉积沉淀法制备Ni催化剂，获得Al－Ni复合粉末后，采用化学气相沉积的方法在复合粉末上原位制备碳纳米管，再利用粉末冶金方法制备碳纳米管增强铝基复合材料。采用本发明方法可以很好地解决碳纳米管在复合材料中的分散问题，从而使材料的硬度，强度，电性能等得到大幅度的提高，有效地增强铝基复合材料的综合性能。

Description

气相沉积原位反应制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管铝基复合材料的制备方法，属于铝基复合材料的制备技术。
背景技术
铝基复合材料具有密度小、耐腐蚀和加工性能好等优点。随着航空、航天和汽车制造等现代工业的发展，对这类材料的比强度、比刚度、耐磨性、耐热性和抗疲劳等性能提出了更高的要求。
碳纳米管(CNTs)在国际上已被公认是一种性能优异的结构材料，它是一种新型的自组装单分子材料，具有极小的尺度及优异的力学性能，其封闭中空管状结构具有良好的稳定性，并且具有优异的力学性能，理论估算其杨氏模量高达5TPa，与金刚石的相同，强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6，是目前比强度和比刚度最高的材料，因此，碳纳米管作为一维纳米晶须增强材料在复合材料中具有重要的应用价值。
然而碳纳米管在复合材料中的分散及其与基体之间的浸润问题是发展该类复合材料面临的难题。目前碳纳米管应用于铝基复合材料中主要采用的方法是①把铝粉和碳纳米管混合(机混或手混)，然后压制；②用溅射的方法使铝粉和碳纳米管混合均匀。第一种方法简单，但根本不能解决碳纳米管在铝基复合材料中的分散及其与基体之间的浸润问题；第二种方法虽然一定程度上能改善碳纳米管在铝基复合材料中的分散及其与基体之间的浸润，但价格昂贵，技术复杂，很难大规模应用。
发明内容
本发明采用原位合成的方法以铝基体粉末作为载体，用化学沉积沉淀法制备Ni催化剂，获得Al-Ni复合粉末，然后采用化学气相沉积的方法在复合粉末上原位制备碳纳米管，再利用粉末冶金方法制备碳纳米管增强铝基复合材料。用本发明方法制备的碳纳米管铝基复合材料可显著改善增强体在材料中的状况，可获得具有良好分散均匀性和界面结合的铝基复合材料。
本发明的目的在于提供一种碳纳米管与基体浸润良好，结合力强，使碳纳米管在复合材料中弥散均匀分布的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括：
1、制备Ni/Al催化剂前驱体：
将六水硝酸镍和铝粉重量比为Ni(NO3)2·6H2O∶Al＝0.127-1.24∶1加入到蒸馏水中，使所得六水硝酸镍的溶液容度为0.1mol/L，以氢氧化钠或氨水作沉淀剂，搅拌下滴加沉淀剂至溶液呈中性，得到镍铝重量比为Ni∶Al＝0.025-0.25∶1的Ni(OH)2/Al二元胶体；将该二元胶体在150℃-300℃、氮气氛围下脱水，并在350℃-500℃高温下煅烧，得到相应重量比的Ni/Al催化剂前驱体；
2、制备碳纳米管/Al复合粉末：
取步骤1)所得两种不同重量比分的Ni/Al催化剂前驱体，铺在石英舟中，将石英舟置于石英反应管中部恒温区；通入氮气排除管内的空气，然后升温至500℃-650℃，氢气以流速25mL/min-250mL/min通过催化剂前驱体1.5-4小时，停止氢气；之后通入甲烷或乙炔反应气体作为碳源，并同时通入氮气在500℃-650℃下进行催化裂解反应，使混合气体中，氮气体积：反应气体积＝6-12∶1；混合气体通过催化剂的流速为420-780mL/min；反应0.25h-4h之后停止混合气体，使炉子在氮气氛围下冷至室温，得到碳纳米管/Al复合粉末；
3、制备碳纳米管/Al复合材料
在室温和压力350MPa-700Mpa下，将步骤2)所得复合粉末压制成块体，然后将块体在400℃-650℃下烧结0.5h-6小时，再以1250MPa-1600Mpa的压力对块体进行复压，得到碳纳米管原位增强铝基复合材料。
本发明具有以下优点：
很好地解决了碳纳米管在复合材料中的分散问题，碳纳米管在本发明所得复合粉末中不团聚，分散好，因而使材料的硬度，强度，电性能等得到大幅度的提高，有效地增强了铝基复合材料的综合性能。
附图说明
图1采用本发明方法所得复合粉末的SEM图
图2采用本发明方法所得碳管的TEM图
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明，这些实施例只用于说明本发明，并不限制本发明。
本发明中Ni/Al催化剂前驱体的重量比分是指该催化剂前驱体中的镍铝重量比。
下表各实施例中：
使用原料：六水硝酸镍，市售，纯度＞96％
          铝粉，市售，400目
所得碳纳米管管径为10-30nm，长度为1-15μm。
  实例编号   Ni/A1催化剂前驱体重量比分/质量(mg)   脱水温度(℃)   煅烧温度(℃)   还原温度(℃)   还原时间(h)   反应温度(℃)   反应时间(h)   还原时VH2(mL/min)   反应时VN2/VCH4(mL/min/mL/min)   所得产物中碳纳米管含量(％)
  1   0.025∶1/1000   240   400   600   2   600   0.5   100   540/60   1
  2   0.025∶1/1000   240   400   600   2   600   1   100   540/60   2.5
  3   0.025∶1/1000   240   400   600   2   600   2   100   540/60   4
  4   0.025∶1/1000   240   400   600   2   600   3   100   540/60   5
  5   0.025∶1/1000   240   400   600   2   600   4   100   540/60   5.5
  6   0.052∶1/1000   240   400   600   2   600   05   100   540/60   25
  7   0.052∶1/1000   240   400   600   2   600   1   100   540/60   5
  8   0.052∶1/1000   240   400   600   2   600   1.5   100   540/60   7.5
  9   0.052∶1/1000   240   400   600   2   600   2   100   540/60   9
  10   0.052∶1/1000   240   400   600   2   600   3   100   540/60   12.5
  11   0.11∶1/1000   240   400   600   2   600   1   100   540/60   20.5
  12   0.25∶1/1000   240   400   600   2   600   1   100   540/60   45

Claims (1)

1、一种气相沉积原位反应制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，其特征在于包括：
1)制备Ni/Al催化剂前驱体：
将六水硝酸镍和铝粉重量比为Ni(NO3)2·6H2O∶Al＝0127-124∶1加入到蒸馏水中，使所得六水硝酸镍的溶液容度为0.1mol/L，以氢氧化钠或氨水作沉淀剂，搅拌下滴加沉淀剂至溶液呈中性，得到镍铝重量比为Ni∶Al＝0025-0.25∶1的Ni(OH)2/Al二元胶体；将该二元胶体在150℃-300℃、氮气氛围下脱水，并在350℃-500℃高温下煅烧，得到相应重量比分的Ni/Al催化剂前驱体；
2)制备碳纳米管/Al复合粉末：
取步骤1)所得两种不同重量比分的Ni/Al催化剂前驱体，铺在石英舟中，将石英舟置于石英反应管中部恒温区；通入氮气排除管内的空气，然后升温至500℃-650℃，氢气以流速25mL/min-250mL/min通过催化剂前驱体1.5-4小时，停止氢气；之后通入甲烷或乙炔反应气体作为碳源，并同时通入氮气在500℃-650℃下进行催化裂解反应，使混合气体中，氮气体积∶反应气体积＝6-12∶1；混合气体通过催化剂的流速为420-780mL/min；反应0.25h-4h之后停止混合气体，使炉子在氮气氛围下冷至室温，得到碳纳米管/Al复合粉末；
3)制备碳纳米管/Al复合材料
在室温和压力350MPa-700Mpa下，将步骤2)所得复合粉末压制成块体，然后将块体在400℃-650℃下烧结0.5h-6小时，再以1250MPa-1600Mpa的压力对块体进行复压，得到碳纳米管原位增强铝基复合材料。
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Assignee: Yangzhou Jiahe Radiator Co., Ltd.

Assignor: Tianjin University

Contract fulfillment period: 2009.3.24 to 2014.3.23 contract change

Contract record no.: 2009320000619

Denomination of invention: Vapour deposition in situ reaction method for preparing carbon nanotube reinforced aluminium matrix composite material

Granted publication date: 20080730

License type: Exclusive license

Record date: 2009.4.20

LIC Patent licence contract for exploitation submitted for record

Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.3.24 TO 2014.3.23; CHANGE OF CONTRACT

Name of requester: YANGZHOU JIAHE RADIATOR CO., LTD.

Effective date: 20090420

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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20080730

Termination date: 20090929