DE102014220590A1

DE102014220590A1 - Nanokohlenstoffverstärkte-Aluminiumverbundmaterialien und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE102014220590A1
Application number: DE102014220590.5A
Authority: DE
Inventors: Dong Hoon Nam; Jong Kook Lee; Byung-ho Min
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2015-10-15
Also published as: KR101583916B1; CN104975201A; KR20150118666A; US20150292070A1; JP2015203155A

Abstract

Ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial und ein Verfahren zum Herstellen desselben werden bereitgestellt. Das Verfahren zum Herstellen eines Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterials ist dadurch gekennzeichnet, dass Verbundpulver, bei dem keramikbeschichteter Nanokohlenstoff durch Metallpulver umgeben ist, zu geschmolzenen Aluminium hinzugegeben und das geschmolzene Aluminium mit dem hinzugegeben Verbundpulver anschließend gegossen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial, wobei die Reaktion zwischen Nanokohlenstoff und flüssigen Aluminium gesteuert und das Dispersionsvermögen von Nanokohlenstoff und Aluminium verbessert wird, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen desselben.
STAND DER TECHNIK
Ein Kohlenstoffnanoröhrchen ist ein rohrförmiges Kohlenstoffnanomaterial mit einem Durchmesser von einigen Nanometern (nm) bis einigen Zehnteln Nanometer (nm).
Dabei ist gut bekannt, dass ein Kohlenstoffnanoröhrchen exzellente mechanische Eigenschaften, wie eine hohe Festigkeit, ein hohes Elastizitätsmodul, eine geringe Dichte sowie ein hohes Seitenverhältnis etc., aufweist. Aus diesem Grund wurden Untersuchungen hinsichtlich der Anwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf Strukturmaterialien, genauer gesagt Verstärkungsmaterialien, wie Polymer-Metall-Matrixverbundmaterialien und dergleichen, verstärkt durchgeführt.
Beim Herstellen eines Kohlenstoffnanoröhrchen-Metall-Nanoverbundmaterials wird im Allgemeinen ein Pulvermetallurgieverfahren zum Mischen von Kohlenstoffnanoröhrchen mit Metallpulver verwendet, um ein Kohlenstoffnanoröhrchen-Metallverbundpulver vorzubereiten, wobei dieses Verbundpulver anschließend gesintert wird.
Kohlenstoffnanoröhrchen werden jedoch durch die zwischen ihnen wirkenden Van-der-Waals-Kräfte agglomeriert, weshalb es sehr schwierig ist, diese gleichförmig in einem Metallmatrixmaterial zu verteilen. Ferner macht der Dichtenunterschied zwischen den Kohlenstoffnanoröhrchen und einem Metallmatrixmaterial die Verteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen schwierig.
Darüber hinaus ist die Dichte gering, da die agglomerierten Kohlenstoffnanoröhrchen nicht einfach gesintert werden, weshalb die Eigenschaften eines Verbundmaterials bedürftig sind. Darüber hinaus werden, wenn Kohlenstoffnanoröhrchen mit Metallpulver, wie Titanpulver, vermischt und anschließend gesintert werden, Karbide, wie Titankarbid (TiC), erzeugt und daher exzellente Verstärkungseffekte, welche den ursprünglichen Kohlenstoffnanoröhrchen innewohnen, nicht erzielt.
Insbesondere besteht das Problem, dass die Karbiderzeugung während der Reaktion von Nanokohlenstoff und flüssigen Aluminium verhindert werden muss, wenn ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen durch ein Gießverfahren hergestellt wird. Dementsprechend wurde ein Verfahren zum Beschichten von Nanokohlenstoff mit Metall oder Keramik entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Dieses Verfahren ist jedoch dahingehend problematisch, dass Nanokohlenstoff durch die Reaktion einer Metallbeschichtungsschicht mit Aluminium beschädigt wird, und dahingehend, dass das Dispersionsvermögen von Nanokohlenstoff gering ist, da die Benetzbarkeit einer Keramikbeschichtungsschicht an Aluminium gering ist.
Die vorhergehende Beschreibung wird lediglich zur Verbesserung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, was nicht bedeutet, dass die vorliegende Erfindung unter den Bereich des Stands der Technik, welcher dem Fachmann bereits bekannt ist, fällt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die oben erwähnten Probleme zu lösen. Die vorliegende Offenbarung stellt ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial, wobei die Reaktion zwischen Nanokohlenstoff und flüssigen Aluminium gesteuert und das Dispersionsvermögen von Nanokohlenstoff in Aluminium verbessert wird, und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereit.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterials bereit umfassend das Hinzugeben von Verbundpulver, bei dem keramikbeschichteter Nanokohlenstoff durch Metallpulver umgeben ist, zu geschmolzenen Aluminium und anschließend das Gießen des geschmolzenen Aluminiums mit dem hinzugegebenen Verbundpulver.
Das Verfahren kann die Schritte aufweisen: Beschichten von Nanokohlenstoff mit Keramik; Vermischen des keramikbeschichteten Nanokohlenstoffs mit Metallpulver, um Verbundpulver vorzubereiten, sodass der keramikbeschichtete Nanokohlenstoff durch das Metallpulver umgeben ist; Hinzufügen des Verbundpulvers zu geschmolzenen Aluminium; und Gießen des geschmolzenen Aluminiums mit dem hinzugefügten Verbundpulver.
Der Nanokohlenstoff kann Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlenstoffnanofaser und/oder Graphen aufweisen. Die Keramik kann Oxid und/oder Karbid und/oder Nitrit und/oder Borid aufweisen.
Das Metallpulver kann Aluminium oder ein Metall sein, welches mit dem Aluminium vermischt ist oder mit dem Aluminium reagiert hat, um eine intermetallische Verbindung auszubilden.
Der keramikbeschichtete Nanokohlenstoff kann mit dem Metallpulver durch Kugelmahlen vermischt werden, sodass der keramikbeschichtete Nanokohlenstoff durch das Metallpulver umgeben ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial bereit, welches durch Hinzugeben von Verbundpulver, bei dem keramikbeschichteter Nanokohlenstoff von Metallpulver umgeben ist, zu geschmolzenen Aluminium und anschließendes Gießen des geschmolzenen Aluminiums mit dem hinzugegebenen Verbundpulver hergestellt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oberen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden.
1 ist eine schematische Ansicht, welche ein Verfahren zum Herstellen eines Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Bild, welches ein Kohlenstoffnanoröhrchen zeigt, das mit Titanoxid (TiO₂) beschichtet ist.
3 ist ein Bild, welches ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Bild, welches Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial von Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
5 ist ein Bild, welches TiO₂-beschichtetes Kohlenstoffnanoröhrchen-Aluminiumverbundpulver zeigt, welches durch Kugelmahlen vorbereitet wurde.
6 ist eine Abbildung, welche Graphen zeigt, das mit Al₂O₃ beschichtet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, ist das Verfahren zum Herstellen eines Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundpulver, in dem keramikbeschichteter Nanokohlenstoff durch Metallpulver umgeben ist, zu geschmolzenen Aluminium hinzugegeben wird und das geschmolzene Aluminium anschließend mit dem hinzugegebenen Verbundpulver gegossen wird.
Das heißt, dass Keramik, welche auf den Nanokohlenstoff appliziert wird, die Reaktion zwischen flüssigen Aluminium und dem Nanokohlenstoff steuert, und das Metallpulver die Benetzbarkeit von flüssigen Aluminium verbessert, wodurch die thermische Stabilität und das Dispersionsvermögen von Nanokohlenstoff in geschmolzenen Aluminium verbessert werden.
Nanokohlenstoff kann in großem Ausmaß zur Realisierung von Hochfunktionalisierung, Gewichtsreduktion und Miniaturisierung in den Feldern von elektrisch und elektronischen Anwendungen, Automobilen und dergleichen in Verbindung mit existierenden Metallmaterialen beitragen, da dieser eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe thermische Leitfähigkeit und exzellente mechanische Eigenschaften aufweist. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Erfindung die oberen Vorteile durch Umgeben des keramikbeschichteten Nanokohlenstoffs mit Metallpulver, um Verbundpulver vorzubereiten, Hinzugeben des Verbundpulvers zu geschmolzenen Metall und anschließend Gießen des geschmolzenen Metalls mit dem hinzugegebenen Verbundpulver realisiert.
Das Verfahren zum Herstellen eines Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterials kann durch folgende Schritte verkörpert werden: Beschichten von Nanokohlenstoff mit Keramik; Mischen des keramikbeschichteten Nanokohlenstoffs mit Metallpulver, um Verbundpulver vorzubereiten, sodass der keramikbeschichtete Nanokohlenstoff durch das Metallpulver umgeben ist; Hinzugeben des Verbundpulvers zu geschmolzenen Aluminium; und Gießen des geschmolzenen Aluminiums mit dem hinzugegebenen Verbundpulver.
Nanokohlenstoff kann Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlenstoffnanofaser und/oder Graphen aufweisen. Die Keramik kann Oxid und/oder Karbid und/oder Nitrit und/oder Borid aufweisen. Beispielsweise kann Nanokohlenstoff mit Metallpulver beschichtet werden, indem Metallpartikel, wie Kupfer, Nickel oder dergleichen, appliziert und diese unter einer Sauerstoffatmosphäre wärmebehandelt werden.
Neben Kupfer und Nickel können Gold, Silber, Platin, Titan, Zink, Mangan, und Gallium als Metallpulver verwendet werden. Die Dicke einer Keramikbeschichtungsschicht kann im Bereich von 10 nm bis 1 µm angepasst werden. Ferner kann die Keramikbeschichtung durch verschiedene Verfahren ausgeführt werden, wie stromloses Galvanisieren bzw. Beschichten, Sputtern, Aufdampfen bzw. Abscheiden, chemische Dampffasenabscheidung und dergleichen.
Die keramische Beschichtung kann derart ausgeführt werden, dass keramische Partikel gleichförmig auf dem Nanokohlenstoff verteilt werden. Dieser gleichförmig keramikbeschichtete Nanokohlenstoff wird durch Metallpulver umgeben, um Verbundpulver vorzubereiten.
Das Verbundpulver, bei dem keramikbeschichteter Nanokohlenstoff durch Metallpulver umgeben ist, wird mit geschmolzenem Aluminium vermischt, wobei die Mischung anschließend gegossen wird, um ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial herzustellen.
Das Metallpulver kann Aluminium oder ein Metall sein, welches mit dem Aluminium legiert ist oder mit dem Aluminium reagiert hat, um eine intermetallische Verbindung auszubilden. Der keramikbeschichtete Nanokohlenstoff kann mit dem Metallpulver durch Kugelmahlen vermischt werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerem Detail unter Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben.
BEISPIEL 1
Um ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial der vorliegenden Erfindung herzustellen, wurden Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) mit TiO₂ unter Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt (siehe 2).
40 g von Kohlenstoffnanoröhrchen, welche mit TiO₂ beschichtet sind, wurden mit 160 g Aluminiumpulver durch Kugelmahlen unter den folgenden Bedingungen gemischt, wodurch Verbundpulver mit einer Struktur vorbereitet wurde, bei der Kohlenstoffnanoröhrchen in Aluminiumpulver eingebettet sind (siehe 5).
Kugelrohmaterial: ZrO₂
Kugelgröße: 5 mm
Gewichtverhältnis von Kugel zu Pulver: 10:1
Mahlrate: 600 Upm
Mahlzeit: 2 Stunden
200 g von vorbereiteten Verbundpulver wurden zu 800 g von geschmolzenen Aluminium bei 750°C hinzugegeben, mechanisch gerührt und anschließend gegossen, um ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial herzustellen. Die Agglomeration von Nanokohlenstoffen wurde in dem Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterial von Beispiel 1 nicht gesehen (siehe 3).
BEISPIEL 2
Ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial wurde in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, nachdem Graphen unter Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens mit Al₂O₃ beschichtet wurde.
Wie in 6 gezeigt, wurde die Agglomeration von Nanokohlenstoffen in dem Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterial von Beispiel 2 nicht gesehen.
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Ein Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial wurde in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet wurden, die mit TiO₂ beschichtet waren.
Wie in 4 gezeigt, kann von dem Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterial von Vergleichsbeispiel 1 festgestellt werden, dass Kohlenstoffnanoröhrchen, die mit TiO₂ beschichtet sind, nicht in dem geschmolzenen Aluminium durch das mechanische Rühren verteilt wurden, da die Benetzbarkeit dieser Kohlenstoffnanoröhrchen zu Aluminium gering ist, und dass die Agglomeration von Nanokohlenstoffen in dem Verbundmaterial von Vergleichsbeispiel 1 festgestellt wurde.
Wie weiter oben beschrieben, wird in dem Verfahren zum Herstellen eines Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterials der vorliegenden Erfindung keramikbeschichteter Nanokohlenstoff mit Metallpulver gemischt, um Verbundpulver vorzubereiten, wodurch das Dispersionsvermögen von Nanokohlenstoff in Aluminium verbessert wird, während die Reaktion zwischen Nanokohlenstoff und flüssigen Aluminium gesteuert wird.
Das Nanokohlenstoffverstärkte-Aluminiumverbundmaterial der vorliegenden Offenbarung ist in der Art vorteilhaft, dass die Reaktion zwischen Nanokohlenstoff und flüssigen Aluminium gesteuert und das Dispersionsvermögen von Nanokohlenstoff und Aluminium verbessert werden kann.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu illustrativen Zwecken offenbart wurden, ist es dem Fachmann klar, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Offenbarung, wie sie in den begleitenden Ansprüchen offenbart sind, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Nanokohlenstoffverstärkten-Aluminiumverbundmaterials mit: Hinzufügen von Verbundpulver, bei dem keramikbeschichteter Nanokohlenstoff durch Metallpulver umgeben ist, zu geschmolzenen Aluminium; und Gießen des geschmolzenen Aluminiums mit dem hinzugefügten Verbundpulver.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: vor dem Hinzufügen des Verbundpulvers zu geschmolzenen Aluminium und dem Gießen des geschmolzenen Aluminiums mit dem hinzugefügten Verbundpulver, Beschichten von Nanokohlenstoff mit Keramik; und Mischen des keramikbeschichteten Nanokohlenstoffs mit Metallpulver, um das Verbundpulver vorzubereiten, sodass der keramikbeschichtete Nanokohlenstoff durch das Metallpulver umgeben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nanokohlenstoff ein Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder eine Kohlenstoffnanofaser und/oder Graphen aufweist; und/oder die Keramik Oxid und/oder Karbid und/oder Nitrit und/oder Borid aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Metallpulver Aluminium oder ein Metall ist, welches mit dem Aluminium legiert ist oder mit dem Aluminium reagiert hat, um eine intermetallische Verbindung auszubilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der keramikbeschichtete Nanokohlenstoff mit dem Metallpulver durch Kugelmahlen vermischt wird, sodass der keramikbeschichtete Nanokohlenstoff durch das Metallpulver umgeben ist.
Nanokohlenstoffverstärktes-Aluminiumverbundmaterial, welches durch Hinzufügen von Verbundpulver, bei dem keramikbeschichteter Nanokohlenstoff durch Metallpulver umgeben ist, zu geschmolzenen Aluminium und anschließendes Gießen des geschmolzenen Aluminiums mit dem hinzugefügten Verbundpulver hergestellt wird.