SK292013A3 - Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok a spôsob jeho výroby - Google Patents
Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok a spôsob jeho výroby Download PDFInfo
- Publication number
- SK292013A3 SK292013A3 SK29-2013A SK292013A SK292013A3 SK 292013 A3 SK292013 A3 SK 292013A3 SK 292013 A SK292013 A SK 292013A SK 292013 A3 SK292013 A3 SK 292013A3
- Authority
- SK
- Slovakia
- Prior art keywords
- carbon nanotubes
- composite material
- cnt
- corundum
- nanotubes
- Prior art date
Links
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 95
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 92
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 92
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 20
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 17
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 15
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 12
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 6
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 5
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 4
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 4
- 235000019333 sodium laurylsulphate Nutrition 0.000 claims description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims description 2
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 claims 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims 1
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 abstract description 6
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008014 freezing Effects 0.000 abstract description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 abstract description 2
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 22
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 9
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 8
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 8
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 7
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 6
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 4
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 4
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 4
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 4
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 3
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 3
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 2
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 description 2
- 239000002238 carbon nanotube film Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 2
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 2
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 102100038542 Calcium homeostasis modulator protein 6 Human genes 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101000741361 Homo sapiens Calcium homeostasis modulator protein 6 Proteins 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012700 ceramic precursor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003349 gelling agent Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N isopropyl alcohol Natural products CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- -1 mixing with powders Chemical compound 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
- C04B35/111—Fine ceramics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
- C04B35/111—Fine ceramics
- C04B35/117—Composites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
- C04B35/486—Fine ceramics
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
- C04B35/486—Fine ceramics
- C04B35/488—Composites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
- C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
- C04B35/587—Fine ceramics
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
- C04B35/62655—Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62695—Granulation or pelletising
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C47/14—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by powder metallurgy, i.e. by processing mixtures of metal powder and fibres or filaments
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
- C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
- C04B2235/5284—Hollow fibers, e.g. nanotubes
- C04B2235/5288—Carbon nanotubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
- C22C2026/002—Carbon nanotubes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok, ktorý je tvorený oxidom hlinitým, korundom alebo oxidom zirkoničitým, alebo nitridom kremičitým, alebo karbidom kremičitým, alebo hliníkom s objemovým zastúpením 90 až 99,5 % a uhlíkovými nanorúrkami s objemovým zastúpením 0,5 až 10 %. Výsledný kompozitný materiál má hutnosť min. 99 % teoretickej hustoty pri súčasnom zabezpečení jemnozrnnej mikroštruktúry, v prípade korundovej matrice s priemernou veľkosťou častíc nižšou ako 1 |im. Spôsob prípravy kompozitného materiálu je založený na kombinácii metód stabilizácie CNT suspenzií s časticami keramiky alebo kovu, využitia „zamrznutia“ suspenzie po rozstrekovaní so tekutého dusíka s následným vymrazovacím sušením (lyofilizáciou) a zhutňovania spekaním v inertnej atmosfére pri použití alebo bez použitia tlaku na zhutňovaný kompozitný materiál.
Description
Technické riešenie sa týka oblasti kompozitných materiálov na báze uhlíkových nanorúrok (z angl. carbon nanotubes, CNT) a technológií používaných pri výrobe týchto materiálov.
Doterajší stav techniky
Dosiahnutie homogénnej distribúcie uhlíkových nanorúrok v matrici keramiky alebo kovu predstavuje problém z dôvodu, že uhlíkové nanorúrky (ďalej len CNT) vykazujú výraznú tendenciu vytvárať aglomeráty vo forme zväzkov z dôvodu van der Waalsových síl ako dôsledok veľkého špecifického povrchu a pomeru priemeru k dĺžke CNT. Vysoký obsah CNT v kompozitných materiáloch tak vedie k ich aglomerácii, čo spôsobuje obmedzenie požadovaných fyzikálnych a mechanických vlastností výsledných kompozitných materiálov.
Spôsoby na dosiahnutie homogénnej distribúcie diskrétnych CNT v matrici keramického, resp. kovového materiálu boli doteraz intenzívne skúmané. Na základe výskumov boli navrhnuté rôzne prístupy disperzácie CNT v matrici, napr. konvenčným miešaním práškov pomocou ultrazvuku alebo guľového mletia; koloidným procesom s prídavkom disperzantov, surfaktantov alebo pôsobením kyselín; sól-gél technikou uchytenia CNT sietí vzniknutého gélu; ako aj in-situ syntézou (rastom) CNT pomocou techniky depozície pár (angl. Chemical vapor deposition, CVD).
Konvenčné miešanie práškov, používané vo všeobecnosti pri dispergácii sekundárnej fázy v kompozitoch, nemá v prípade homogenizácie CNT vysokú účinnosť z dôvodu možného mechanického poškodenia CNT, čo obmedzuje použitie vysokej energie miešania. Aplikácia konvenčného miešania bola sledovaná na rôznych typoch materiáloch ako napr. oxid hlinitý, nitrid kremičitý, atď. ako sa uvádza aj v nasledujúcich dokumentoch [1-5]:
[1] Zhan G.D., Kuntz J.D:, Wan J., Mukherjee A.K. Nat. Mater. 2003, 2, 38-42 [2] Zhan G.D., Kuntz J.D:, Garay J.E., Mukheijee A.K. Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 1228-1230 [3] Wang J., Kou H.M., Liu X.J., Pan Y.B., Guo J.K. Ceram. Int. 2007, 33, 719-722 [4] Balaszi C., Shen Z., Konia Z., Kasztovski Z., Weber F., Vertesy Z., et al. Compos. Sci. Technol. 2005, 65, 727-733 [5] Balaszi C., Sedlackova K., Czigany Z. Compos. Sci. Technol. 2008, 68, 1596-1599
Koloidný proces využíva zmenu, resp. úpravu chémie povrchu CNT, čím dochádza k ich stabilizácii v suspenzii s časticami keramiky alebo kovu. Úprava CNT vyžaduje ich funkcionalizáciu, nakoľko syntetizované CNT majú nízky povrchový náboj. Navyše obsahujú nečistoty pochádzajúce zo samotnej syntézy (amorfný uhlík) ako aj zvyšky kovového katalyzátora. Použitím úpravy v kyselinách dochádza aj k vyčisteniu CNT a zároveň funkcionalizácii naadsorbovaním alebo vytvorením funkčných skupín (väčšinou s negatívnym nábojom), a to najmä karboxylových kyselín a kyslík obsahujúcich skupín. Funkcionalizáciou dochádza taktiež k zmene hydrofóbneho charakteru CNT na hydrofilný, čo výrazne uľahčuje ďalšie spracovanie najmä pri použití polárnych kvapalín ako média pre suspenzie, ako uvádzajú nasledujúce zdroje [6-9]:
[6] Liu J., Rinzler AG, Dai H, Hafiier JH, Bradley RK, Boul PJ, et al. Fullerene pipes. Science 1998;280:1253-6.
[7] Esumi K, Ishigami M, Nakajima A, Awada KS, Hodna H. Chemical treatment of carbon nanotubes. Carbon 1996;34:279-81.
[8] Kim B, Park II, Sigmund W. Electrostatic Interactions bctween shortcned multiwalled carbon nanotubes and polyelectrolytes. Langmuir 2003;19:2525-7.
[9] Hu H, Yu A, Kim E, Zhao B, Itkis ME, Bekyarova E, et al. Influence of the zeta potential on the dispesability and purification of single-walled carbon nanotues. J Phys Chem B 2005;109:11520-4
Sól-gél proces, ako alternatívny spôsob homogenizácie CNT, využíva miešanie CNT s príslušným sólom, pričom nedochádza k negatívnym javom ako je deštrukcia CNT, ako v prípade miešania s práškami, odmiešaniu tuhých fáz v dôsledku rozdielnych hustôt častíc keramiky alebo kovu a CNT. Zmes sól-CNT sa v dôsledku gelačných činidiel, resp. zmenou podmienok (pH, teplota, vlhosť) transformuje na gél, čím sa takýto systém stáva tuhým (zvyšuje sa viskozita) a teda zamedzuje tvorbe agregátov CNT. Následne je systém gél-CNT prevedený tepelným spracovaním na zmes práškov a CNT. Nevýhodou takéhoto postupuje možnosť pripraviť kompozitné materiály iba s keramickou matricou, negatívnym faktorom aj ekonomická náročnosť výroby a vysoká cena vstupných surovín, najmä keramických prekurzorov.
Z doterajších postupov prípravy kompozitných materiálov s homogénnou distribúciou CNTv matrici keramiky alebo kovu sa v súčasnosti najviac využíva in-situ metóda rastu CNT v matrici cez plynnú fázu (CVD technika). Táto technika je vhodná pre keramiku, aj pre kovy. Homogenita výslednej distribúcie CNT v kompozitnom materiáli je ale v tomto prípade limitovaná dosiahnutím homogénnej distribúcie katalyzátorov, na ktorých prebieha rast CNT. Ďalším faktorom obmedzujúcim širšie využitie postupu je jeho ekonomická náročnosť a nutnosť použitia matrice s relatívne vysokou otvorenou pórovitosťou. Toto však pri príprave hutných kompozitov spekaním predstavuje zvýšenie nákladov spojených s týmto technologickým krokom (použitie vyššej teploty spekania, predĺženie doby spekania, použitie tlaku), pričom okrem ekonomickej záťaže sa jedná aj o záťaž ekologickú (pri procese je vyššia spotreba energie).
Keramika na báze oxidu hlinitého (t.j. korundová keramika) je významným materiálom používaným najmä v konštrukciách rôznych strojov, zariadení a súčiastok. Dôvodom jej širokého využitia sú jej vlastnosti, ako je nízka hustota, tvrdosť, odolnosť voči opotrebeniu, korózií a teplote, chemická stálosť aj za vysokých teplôt. Korundová keramika má však aj nízku lomovú húževnatosť a nízku odolnosť voči teplotným šokom, ktoré bránia jej širšiemu využitiu. Prídavkom uhlíkových nanorúrok (CNT) do korundovej matrice je možné dosiahnuť podstatné zlepšenie jej mechanických vlastností (lomovej húževnatosti) a dosiahnuť rozšírenie aplikačného potenciálu korundovej keramiky zlepšením jej funkčných vlastností (najmä tepelnej a elektrickej vodivosti).
Na dosiahnutie zlepšených vlastností korundovej keramiky je potrebné zabezpečiť v kompozitnom systéme CNT homogénnu distribúciu oboch fáz v celom objeme materiálu.
Z pohľadu kompozitných materiálov na báze oxidu hlinitého (korundu) bolo hlavným problémom ich prípravy práve dosiahnutie homogénnej distribúcie CNT v korundovej matrici a v súvislosti stým aj zhutňovanie takýchto kompozitných materiálov. Doterajšie riešenia boli zamerané najmä na využitie poznatkov a metód stabilizácie CNT pomocou disperzných prísad, surfaktantov, funkcionalizáciou povrchu CNT, využitím sól-gél metódy ako aj prístupu in-situ rastu CNT v matrici.
Krehkosť korundovej keramiky je najväčšou nevýhodou z hľadiska jej aplikačných možností. Dôležitá vlastnosť, ktorá charakterizuje vznik a šírenie trhlín je lomová húževnatosť, a preto sa za účelom zlepšenia lomovej húževnatosti kompozitov založených na AI2O3 najviac publikovaných prác sústredilo na zhúževnatenie týchto materiálov. Mechanické vlastnosti CNT sa používajú ako spevňujúci element v keramickej matrici s cieľom zlepšiť lomovú húževnatosť, tvrdosť a pevnosť v ohybe [1, 2], Výsledky výskumov v tejto oblasti sú rozporuplné. Niektorí autori uvádzajú zlepšenie lomovej húževnatosti A12O3 - CNT nanokompozitu. Autori [3] dosiahli lomovú húževnatosť A12O3 - SWCNTs kompozitu 6,4 ± 0,3 MPa.m1/2, čo je dvakrát viac ako u monokryštalického A12O3. Zhan a kol. dosiahli pri kompozite na báze A12O3 s 10 obj. % SWCNTs dokonca takmer trojnásobné zlepšenie oproti monokryštalickej A12O3 keramike, Siegel a kol. dosiahli zlepšenie o 24 % pri kompozite obsahujúcom 10 obj. % mnohostenných uhlíkových nanorúrok (ďalej len MWCNT) [4], Autori [5] dosiahli pri AI2O3 - MWCNT kompozite obsahujúcom 3 obj. % CNTs lomovú húževnatosť vyššiu o 79 % v porovnaní s nanokryštalickou keramikou. Iní autori, Laurent a kol. [6], Wang a kol. a Sun a kol. nezaznamenali žiadne alebo slabé zlepšenie lomovej húževnatosti v porovnaní s monokryštalickou korundovou keramikou [4, 7], Pevnosť v ohybe sa zvyšuje s rastúcim obsahom CNTs až do dosiahnutia určitej hranice, pri ktorej je vyššia pravdepodobnosť vzniku aglomerátov, a tiež vyššia pórovitosť [8], Pokiaľ ide o tvrdosť týchto kompozitov, majú väčšinou nižšiu tvrdosť v porovnaní s monokryštalickým AI2O3. Možnými dôvodmi sú slabé väzby medzi CNTs a zrnami AI2O3, lubrikačná povaha CNTs a taktiež prítomnosť relatívne mäkkej fázy (tvrdosť viacstenných nanotrubiek v radiálnom smere j e 6 - 10 GPa) na hraniciach zŕn [9].
Mechanické vlastnosti takto pripravených materiálov zaostávajú za požiadavkami. Je to spôsobené problémami, ktoré nastávajú pri výrobe AI2O3-CNT nanokompozitov, pričom kľúčovým problémom je dosiahnuť homogénnu distribúciu CNTs v keramickej matrici. Na dosiahnutie uniformnej distribúcie bolo navrhnutých niekoľko postupov, ktoré zahŕňajú miešanie na molekulárnej úrovni, ktoré pozostáva z reakcie medzi funkcionalizovanými CNTs a kovovými iónmi v roztoku ([10] CHA, S. I. et al.: In Scripta Materialia, 2005, vol. 53, p. 793 -797), ďalej in situ syntéza CNT v keramickej matrici, príprava rozdispergovaných suspenzií A12O3 a CNTs použitím ultrazvuku alebo mletie v atritore s povrchovo aktívnou látkou ([11] ZHANG, S. C. et al.: In J Eur. Ceram. Soc., 2010, vol. 30, p. 1373-1380), príprava AI2O3 - MWCNT použitím prekurzorov ([12] YAMAMOTO, G. et al.: In Diamond and Related Materials, 2008, vol. 17, p. 1554-1557), povlakovanie nanorúrok vrstvou AI2O3 ([13] ESTILI, M., KAWASAKI, A.: In Scripta Materialia, 2008, vol. 58, p. 906-909), a ďalšie.
Samotná uniformná distribúcia CNTs vo vnútri matrice nestačí na zlepšenie vlastností materiálu. Ďalším problémom je slabá medzifázová kompatibilita spôsobená chemickou nehomogenitou týchto dvoch fáz kvôli rozličnému charakteru väzieb medzi CNTs a matricou a silná tendencia CNTs k tvorbe klastrov, ktoré sú viazané príťažlivými Van der Waalsovými silami [13], ([14] LIU, S. et al.: In Carbon, 2011, vol. 49, p. 3698-3704), ([15] SARKAR, S., DAS, P. K.: In Ceramics International, 2012, vol. 38, p. 423-432). Je tiež treba dosiahnuť vysokú hutnosť týchto kompozitov, t.j optimalizovať proces spekania bez degradácie CNTs. Vystavenie nanorúrok vysokej teplote (nad 1250 °C) môže zničiť štruktúrnu integritu uhlíkových nanorúrok, čo vedie k zlyhaniu mnohých ich mechanizmov zhúževnatenia [8], Na zhutnenie keramických AI2O3-CNT kompozitov boli použité rôzne metódy spekania, ako sú beztlakové spekanie, žiarové lisovanie a metóda SPS. Ako najperspektívnejšia sa javí metóda SPS, ktorá umožňuje dosiahnuť vysoké hutnosti pri nižších teplotách a kratších dobách výdrže v porovnaní s konvenčnými metódami, čo znižuje pravdepodobnosť poškodenia štruktúry CNT a tiež zabraňuje rastu zŕn [4, 5, 10, 15], Samotná prítomnosť uhlíkových nanorúrok bráni rastu zŕn a vo všeobecnosti platí, že zjemnenie štruktúry materiálu má pozitívny vplyv na zlepšenie jeho pevnosti, tvrdosti, odolnosti voči opotrebeniu a odolnosti voči teplotným šokom. Navyše, zjemnenie štruktúry tiež zlepšuje lomovú húževnatosť mnohých materiálov [9], Mechanizmy zhúževnatenia vkompozitoch tohto typu zahŕňajú vychýlenie trhliny, premostenie trhliny, vyťahovanie nanorúrok [3, 14] a ([16] HE, C. N. et al.: In Journal of Alloys and Compounds, 2009, vol. 478, p. 816-819).
Ďalšie výskumy sa sústredili na vplyv CNTs na funkčné vlastnosti korundovej keramiky. Korundová keramika je izolant s elektrickou vodivosťou rádovo 10'10 - 10'12 S/m. Prídavok CNTs, ako zložky s vysokou vodivosťou, môže výrazne zvýšiť elektrickú vodivosť. Podobne ako pri mechanických vlastnostiach, aj tu je veľmi dôležitá homogénna distribúcia CNTs v matrici a pevné medzifázové rozhranie medzi nanorúrkami a A12O3. Elektrické vlastnosti nanokompozitu sú potom závislé najmä od obsahu CNTs, hutnosti keramiky a od podmienok spekania. Zhan akol. dosiahli u nanokompozitu SWCNT-AI2O3 elektrickú vodivosť 3345 S/m pri 15 obj. % SWCNT, spekaného použitím metódy SPS ([17] KUMARI, L. et al.: In Ceramics International, 2009, vol. 35, p. 1775-1781). Autori ([18] INAM, F. et al.: In J. Eur. Ceram. Soc., 2010, vol. 30, p. 153-157) dosiahli elektrickú vodivosť na úrovni 576 S/m pre AI2O3-CNT nanokompozit s 5 obj. % MWCNT. Na spekanie bola použitá metóda SPS, ktorá zachováva štruktúrnu integritu CNTs, čo je veľmi dôležité pre zlepšenie elektrickej vodivosti nanokompozitu. Taktiež sa elektrická vodivosť týchto nanokompozitov zvyšovala s rastúcou veľkosťou zŕn, čo je spôsobené zvyšujúcim sa počtom vodivých ciest na hraniciach zŕn, kde sú nanorúrky umiestnené [18],
Pre zlepšenie tepelnej vodivosti materiálu je rovnako dôležitá homogénna distribúcia nanorúrok v matrici a zabránenie tvorby aglomerátov, pretože tepelná vodivosť CNT klastrov je o 3 poriadky nižšia ako vodivosť individuálnych CNTs. Neusporiadané CNT filmy majú vodivosť okolo 30 W/m.K a magneticky usporiadané CNT filmy majú tepelnú vodivosť okolo 200 W/m.K. Taktiež defekty v CNTs znižujú ich tepelnú vodivosť ([19] BAKSHI, S. R. et al.: In Computational Materials Science, 2010, vol. 50, p. 419-428). Pridanie CNTs do matrice (kovovej alebo keramickej) ukazuje veľký potenciál pre zlepšenie tepelnej vodivosti. Shi akol. ukázali, že prídavok 10 obj. % CNT povlakovaných meďou do W-Cu prášku zvýšil tepelnú vodivosť žiarovo lisovaných vzoriek zo 180,97 na 640,53 W/m.K ([20] SHI, X. L. et al.: In Materials Science and Engineering A, 2007, vol. 457, p. 18-23). Autori ([21] KUMARI, L. et al.: In Composites Science and Technology, 2008, vol. 68, p. 2178-2183) dosiahli najvyššiu tepelnú vodivosť 90,4 W/m.K meranú pri teplote 100 °C pre AI2O3-CNT nanokompozit s obsahom 7,39 hm. % CNT, čo je zlepšenie o 229 % v porovnaní s čistým AI2O3. Tento kompozit bol spekaný pri teplote 1 550°C pomocou metódy SPS. Autori pripisujú toto zlepšenie niekoľkým faktorom: v aglomerátoch CNTs viazaných van der Waalsovými silami dochádza častejšie k rozptylu fonónov a tým k zníženiu tepelnej vodivosti, preto je homogénna distribúcia nanorúrok nevyhnutná pre zvýšenie tepelnej vodivosti, vyššia teplota spekania počas SPS procesu viedla k zvýšeniu tepelnej vodivosti, čo je pravdepodobne spôsobené vyššou hutnosťou a teda nižšou pórovitosťou [21],
Podstata vynálezu
Nedostatky doterajších riešení do značnej miery odstraňuje kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok pripravený spôsobom podľa tohto vynálezu.
Popisované riešenie sa zaoberá kompozitným materiálom s obsahom uhlíkových nanorúrok a spôsobom jeho výroby, vďaka ktorému je možné dosiahnuť významnú zmenu vlastností materiálu zvýšením jeho lomovej húževnatosti, zvýšením elektrickej vodivosti a zvýšením tepelnej vodivosti. Vynález partikuláme rieši problém dosiahnutia homogénnej distribúcie uhlíkových nanorúrok. Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok je tvorený oxidom hlinitým, korundom alebo oxidom zirkoničitým alebo nitridom kremičitým alebo karbidom kremičitým alebo hliníkom s objemovým zastúpením 90 až 99,5 % a uhlíkovými nanorúrkami s objemovým zastúpením 0,5 až 10 %. Uhlíkové nanorúrky sú napríklad distribuované v matrici oxidu hlinitého (korundu), a výsledný kompozitný materiál vykazuje vysokú hutnosť min. 99% teoretickej hustoty, pričom je zachovaná homogénna distribúcia uhlíkových nanorúrok pri súčasnom zabezpečení jemnozmnej mikroštruktúry korundovej matrice s priemernou veľkosťou častíc nižšou ako 1 pm.
Spôsob prípravy kompozitného materiálu podľa tohto riešenia spočíva v kombinácii metód stabilizácie CNT suspenzií s časticami keramiky alebo kovu a využitia „zamrznutia“ suspenzie po rozstrekovaní so tekutého dusíka s následným vymrazovacím sušením (lyofilizáciou).
Technológia prípravy je v prvom kroku založená na rozrušení zhlukov CNT pôsobením kyselín, konkrétne kyseliny sírovej a dusičnej v objemovom pomere 3:1. V tomto kroku prípravy materiálu dochádza k narušeniu van der Walsovských síl pôsobiacih medzi jednotlivými nanorúrkami a zároveň k odstráneniu zvyškov katalyzátorov (po samotnej výrobe CNT) a voľného amorfného uhlíka (je nežiadúci kvôli znehodnocujúcim vlastnostiam). Pre zvýšenie účinnosti úpravy je vhodné použiť súčasné pôsobenie ultrazvuku, ktoré napomáha oddeleniu jednotlivých nanorúrok. Následne sú takto upravené CNT odfiltrované a premývané vodou, na odstránenie kyselín. V druhom kroku sú upravené CNT primiešané do vodnej (v literatúre sa bežne používajú iné typy kvapalného média - izopropanol, resp. iné vyššie alkoholy, hexán) suspenzie s príslušným materiálom (napríklad práškov keramiky alebo kovov) s prídavkom vhodného stérického stabilizátora (sodium dodecyl sulphate, dimetyl-formamid). Počas tohto kroku dochádza k homogenizácii medzi časticami prášku a nanorúrkami, pričom v dôsledku organických molekúl stabilizátora dochádza k stabilizácii suspenzie (zmesi) ako celku. Homogenizácie suspenzie môže prebiehať miešaním za prítomnosti mlecích telies (balí milling, attrition milling). V tomto kroku je možné použitie aj iných prídavkov, ktoré plnia úlohu granulačných prísad (binder agent, čiže lepidlo). V treťom kroku dochádza k rozprášeniu (rozstrekovaniu) stabilnej suspenzie do tekutého dusíka, kde pri teplote -196 °C dochádza k okamžitému zamrznutiu nosného média (vody) a teda k zamrznutiu zmesi prášku keramiky alebo kovu a CNT. Pre odstránenie prítomnosti vody, resp. zabráneniu prevedenia skupenstva naspäť do kvapalného stavu (toto by mohlo viesť k oddeleniu jednotlivých fáz od seba v dôsledku rozdielnych hustôt) je potrebne prítomnú vodu v tuhom skupenstve odstrániť sublimáciou (lyofílizáciou pri redukovanom tlaku).
Výsledkom technologického procesu je zmes vo forme prášku alebo granulátu, ktorá sa pre ďalšie účely následne ďalej upravuje odstránením veľkých častíc presitovaním na požadovanú frakciu. Takýmto postupom pripravené zmesi sa následne skompaktujú (zhutnia) spekaním pri pôsobením vysokých teplôt a pripadne aj tlakov (t.j. voľným spekaním, žiarovým lisovaním) v inertnej atmosfére (na zabránenie oxidácie - vyhorievaniu CNT). Kompozitný materiál, ktorý takto vznikne, môže byť tvorený oxidom hlinitým (korundom), alebo oxidom zirkoničitým, alebo nitridom kremičitým, alebo karbidom kremičitým, alebo hliníkom s objemovým zastúpením 90 až 99,5 % a uhlíkovými nanorúrkami (viacstennými) s obsahom 0,5 až 10 obj. %.
Kompozitné materiály pripravené podľa tohto riešenia vykazujú vlastnosti uvedené v tabuľke:
| Matrica | Tvrdosť (GPa) | Lomová húževnatosť (MPa. m172) | Elektrická vodivosť (S.m 2) | Tepelná vodivosť (W.mhK1) |
| Oxid hlinitý | 18,1 + 0,3 | 5,5 ± 0,4 | 1150 ± 80 | 115 ± 1,7 |
| Oxid zirkoničitý | 12,8 ± 0,4 | 11,5 ±0,3 | 280 ± 15 | 4,9 ± 0,2 |
| Nitrid kremičitý | 18 ±0,3 | 10,2 ± 0,4 | 35 ±1 | 90 ± 0,8 |
| Karbid kremičitý | 28,2 ± 0,3 | 6,2 ± 0,3 | 4530 ±105 | 5,2 ± 0,3 |
| Hliník | 230 ± 0,5 | 36,7 + 0,6 | 0,041 + 0,002 | 261 ± 1,8 |
Príklady uskutočnenia vynálezu
Príklad č.l:
Mnohostenné uhlíkové nanorúrky (ďalej MWCNT) v množstve 5 g boli čistené a funkcionalizované miešaním v 400 ml zmesi kyseliny sírovej a dusičnej s objemovým pomerom 3:1 po dobu 5 hodín. Po každej hodine miešania bola zmes ultrazvukovaná po dobu 20 min. s cieľom zabezpečiť intenzívnejšie oddelenie jednotlivých nanorúrok od seba. Po procese miešania bola zmes zriedená destilovanou vodou a MWCNT boli odfiltrované cez 0,1 pm nylonovú filtračnú membránu a MWCNT boli premývané destilovanou vodou až po dosiahnutie pH 7 filtrátu. Následne boli MWCNT sušené 10 h pri teplote 100°C. Takto upravené MWCNT boli rozdispeigované pomocou ultrazvuku v roztoku dodecylsulfátu sodného (ďalej SDS),pričom hmotnostný pomer SDS : MWCNT bol 1,5 : 1. Takto pripravená disperzia deaglomerovaných uhlíkových nanorúrok bola ďalej používaná na prípravu kompozitných materiálov.
Keramický prášok oxidu hlinitého s priemernou veľkosťou častíc 400 nm bol rozdispergovaný pomocou ultrazvuku a následne zmiešaný s disperziou MWCNT pripravenou podľa horeuvedeného postupu, pričom pH bolo upravené na hodnotu 10,9 pomocou roztoku hydroxidu amónneho. Miešanie bolo intenzifikované použitím korundových mlecích teliesok a doba miešania bola 24 hodín. Po homogenizácii boli odseparované mlecie telieska preliatím cez sito, a homogénna zmes bola rozstrekovaná do tekutého dusíka. Rýchlosť rozstrekovania bola kontrolovaná prietokom disperzie, pričom táto bola udržiavaná na konštantnej hodnote 20 ml/min a tlakom hnacieho plynu 10 kPa. Pri týchto podmienkach vznikali prudkým podchladením rozstrekovanej disperzie pri teplote -196° C granule zmesi oxidu hlinitého, MWCNT a zamrznutej vody. Voda bola v následnom kroku odstránená pomocou lyofilizácie, pri redukovanom tlaku 100 Pa, teplote vymrazovacej nádoby -56° C, a doby pôsobení 24 h. Vzniknutý granulát oxidu hlinitého s homogénne distribuovanou fázou MWCNT bol následne lisovaný za studená pri tlaku 100 MPa, a takto vylisovaný polotovar bol spekaný pomocou metódy žiarového lisovania. Žiarové lisovanie prebiehalo pri teplote 1550° C a tlaku 30 MPa v atmosfére inertného plynu (argón) po dobu 1 hodiny.
Výsledkom tohto spôsobu prípravy je kompozitný keramický materiál s uhlíkovými nanorúrkami (CNT) homogénne distribuovanými v matrici oxidu hlinitého (korundu), ktorý vykazuje vysokú hutnosť (min. 99% teoretickej hustoty), pričom je zachovaná nielen homogénna distribúcia CNT, ale je zachovaná aj jemnozmná mikroštruktúra korundovej matrice (úzka distribúcia veľkosti korunodvých zŕn) s priemernou veľkosťou častíc nižšou ako 1 pm.
Príklad č. 2
Mnohostenné uhlíkové nanorúrky (MWCNT) v množstve 5 g boli čistené a fiinkcionalizované miešaním v 400 ml zmesi kyseliny sírovej a dusičnej s objemovým pomerom 3:1 po dobu 5 h.
Po každej hodine miešania bola zmes ultrazvukovaná po dobu 20 min. s cieľom zabezpečiť intenzívnejšie oddelenie jednotlivých nanorúrok od seba. Po procese miešania bola zmes zriedená destilovanou vodou a MWCNT boli odfiltrované cez 0,1 pm nylonovú filtračnú membránu a MWCNT boli premývané destilovanou vodou až po dosiahnutie pH 7 filtrátu. Následne boli MWCNT sušené 10 h pri teplote 100°C. Takto upravené MWCNT boli rozdispergované pomocou ultrazvuku v roztoku dodecylsulfátu sodného (SDS), pričom hmotnostný pomer SDS:MWCNT bol 1,5:1. Takto pripravená disperzia deaglomerovaných uhlíkových nanorúrok bola ďalej používaná na prípravu kompozitných materiálov.
Prášok hliníka s priemernou veľkosťou častíc 150 nm bol rozdispergovaný pomocou ultrazvuku a následne miešania s disperziou MWCNT pripravenou podľa horeuvedeného postupu, pričom pH bolo upravené na hodnotu 10,9 pomocou roztoku hydroxidu amónneho. Miešanie bolo intenzifikované použitím korundových mlecích teliesok a doba miešania bola 24 h. Po homogenizácii boli z odseparované mlecie telieska, preliatím cez sito a homogénna zmes bola rozstrekovaná do tekutého dusíku. Rýchlosť rozstrekovania bola kontrolovaná prietokom disperzie, pričom táto bola udržiavaná na konštantnej hodnote 20 ml/min a tlakom hnacieho plynu 10 kPa. Pri týchto podmienkach vznikali prudkým podchladením rozstrekovanej disperzie pri teplote -196°C granule zmesi hliníku, MWCNT a zamrznutej vody. Tá bola v následnom kroku odstránená pomocou lyofilizácie, pri redukovanom tlaku 100 Pa, teplote vymrazovacej nádoby -56°C a doby 24 h. Vzniknutý granulát hliníku s homogénne distribuovanou fázou MWCNT bol následne lisovaný za studená pri tlaku 100 MPa a takto vylisovaný polotovar bol spekaný pomocou metódy žiarového lisovania. Žiarové lisovanie prebiehalo pri teplote 550°C a tlaku 30 MPa pri redukovanom tlaku 100 Pa po dobu 5 minút.
Priemyselná využiteľnosť
Vynález predstavuje výhodnú alternatívu doteraz známych riešení z hľadiska použitého technologického postupu, nakoľko zabezpečuje úsporu vstupných nákladov výrobného procesu, ako aj odbúranie negatívnych ekologických vplyvov v súčasnosti používaných technológií. Kompozitné materiály s uhlíkovými nanorúrkami (CNT), ktoré sú pripravené na základe tohto riešenia, je možné vzhľadom na ich zlepšené vlastností využiť ako konštrukčné prvky, pričom sa uplatnia najmä v dvoch oblastiach:
1. v zbrojárskom priemysle, strojárstve a automobilovom priemysle (zlepšenie mechanických vlastností, konkrétne lomovej húževnatosti)
2. v elektrotechnike - využitie zlepšených elektrických vlastností takýchto materiálov, najmä nízkej rezistivity, ako aj využitia multifunkčného charakteru (v prípade keramiky), t.j. kombinácie odolnosti voči agresívnemu prostrediu, mechanických vlastností a elektrických vlastností. V elektrotechnike je možné využiť aj schopnosť takýchto materiálov viesť teplo, z dôvodu zvýšenej tepelnej vodivosti, napr. ako substrátov.
Claims (3)
1. Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok, vyznačujúci sa tým, že materiál je tvorený oxidom hlinitým, korundom alebo oxidom zirkoničitým alebo nitridom kremičitým alebo karbidom kremičitým alebo hliníkom s objemovým zastúpením 90 až
99,5 % a uhlíkovými nanorúrkami s objemovým zastúpením 0,5 až 10 %.
2. Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že uhlíkové nanorúrky sú distribuované v matrici oxidu hlinitého, korundu, a kompozitný materiál vykazuje vysokú hutnosť min. 99% teoretickej hustoty, pričom je zachovaná homogénna distribúcia uhlíkových nanorúrok pri súčasnom zabezpečení jemnozmnej mikroštruktúry korundovej matrice s priemernou veľkosťou častíc nižšou ako 1 pm.
3. Spôsob výroby kompozitného materiálu s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok podľa nárokov 1 a 2, vyznačujúci sa tým, že zhluky uhlíkových nanorúrok sú rozrušené pôsobením kyselín, s výhodou kyseliny sírovej a dusičnej v objemovom pomere 3:1, pričom dochádza k narušeniu van der Walsovských síl pôsobiacih medzi jednotlivými nanorúrkami a zároveň k odstráneniu zvyškov katalyzátorov a voľného amorfného uhlíka, pre zvýšenie účinnosti úpravy sa súčasne použije pôsobenie ultrazvuku, ktoré napomáha oddeleniu jednotlivých nanorúrok, následne sú uhlíkové nanorúrky odfiltrované a premývané vodou na odstránenie kyselín, potom sú uhlíkové nanorúrky primiešané do vodnej suspenzie s práškom keramiky alebo kovov s prídavkom vhodného stérického stabilizátora, s výhodou sodium dodecyl sulphate, dimetyl-formamid, pričom dochádza k homogenizácii medzi časticami prášku a nanorúrkami, pôsobením organických molekúl stabilizátora nastáva stabilizácia suspenzie ako celku, nasleduje homogenizácia suspenzie, ktorá môže prebiehať miešaním za prítomnosti mlecích telies a s výhodou je možné použitie prídavkov, ktoré plnia úlohu granulačných prísad, stabilná suspenzia sa potom rozpráši alebo rozstrekuje do tekutého dusíka, kde pri teplote -196 °C dochádza k okamžitému zamrznutiu nosného média, vody a k zamrznutiu zmesi prášku a uhlíkových nanorúrok, čo zabezpečí elimináciu oddelenia jednotlivých fáz navzájom od seba, a výsledná zmes vo forme prášku alebo granulátu sa pre ďalšie účely upravuje odstránením veľkých častíc presitovaním na požadovanú frakciu, a takýmto postupom pripravené zmesi sa potom skompaktujú, zhutnia spekaním pri pôsobení vysokých teplôt, s výhodou aj pôsobením tlakov voľným spekaním alebo žiarovým lisovaním v inertnej atmosfére.
ÚRAD PRIEMYSELNÉHO VLASTNÍCTVA SLOVENSKEJ REPUBLIKY Švermova 43,974 04 Banská Bystrica 4
REŠERŠNÁ SPRÁVA
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SK29-2013A SK292013A3 (sk) | 2013-03-18 | 2013-03-18 | Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok a spôsob jeho výroby |
| PCT/SK2014/000007 WO2014149007A1 (en) | 2013-03-18 | 2014-03-13 | Composite material with a homogeneous distribution of carbon nanotubes and a method for production of thereof j |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SK29-2013A SK292013A3 (sk) | 2013-03-18 | 2013-03-18 | Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok a spôsob jeho výroby |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SK292013A3 true SK292013A3 (sk) | 2014-10-03 |
Family
ID=50483459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SK29-2013A SK292013A3 (sk) | 2013-03-18 | 2013-03-18 | Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok a spôsob jeho výroby |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| SK (1) | SK292013A3 (sk) |
| WO (1) | WO2014149007A1 (sk) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627522C2 (ru) * | 2015-12-16 | 2017-08-08 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Керамический материал на основе корунда и способ его получения |
| US10091916B2 (en) * | 2016-09-29 | 2018-10-02 | The Boeing Company | Fabrication of ceramic matrix composites with carbon nanotubes and graphene |
| RU2653182C2 (ru) * | 2016-11-01 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Керамический наноструктурированный материал на основе нитрида кремния и способ его получения |
| CN111559742A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-08-21 | 江西悦安新材料股份有限公司 | 一种提高碳纳米管稳定性的方法 |
| CN111718187A (zh) * | 2020-06-17 | 2020-09-29 | 武汉钢铁有限公司 | 含纳米碳的高炉出铁沟用浇注料及其制备方法 |
| CN112500121A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-03-16 | 江苏盛容醇金科技发展有限公司 | 一种酿酒用耐液体渗透无釉陶坛的制造方法 |
| CN112552018A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-03-26 | 江苏盛容醇金科技发展有限公司 | 酿酒用无釉陶坛及其制造方法 |
| CN112441811A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-03-05 | 江苏盛容醇金科技发展有限公司 | 一种低酒损无釉酿酒陶坛的制造方法 |
| CN113199027B (zh) * | 2021-04-26 | 2022-09-20 | 南京理工大学 | 一种纳米Al4C3增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN114516754B (zh) * | 2021-12-27 | 2023-04-07 | 湘潭顺络电子有限公司 | 一种超高强高韧低密度氧化锆陶瓷及其制备方法和应用 |
| CN114572968B (zh) * | 2022-02-22 | 2023-09-08 | 金华职业技术学院 | 一种ZrNb2O6/ZrO2-CNTs复合粉末及制备方法 |
| CN114507029B (zh) * | 2022-03-18 | 2022-10-14 | 东南大学 | 稳定碳纳米管分散体的制备方法 |
| CN114752353B (zh) * | 2022-04-28 | 2023-07-25 | 浙江奥首材料科技有限公司 | 一种CNTs-Al2O3复合磨料、其制备方法、应用及包含其的抛光液 |
| CN115353400B (zh) * | 2022-09-29 | 2023-06-06 | 四川交蓉思源科技有限公司 | 一种增韧氮化硅陶瓷材料及其制备方法 |
| CN117142859A (zh) * | 2023-08-25 | 2023-12-01 | 中国科学院物理研究所 | 一种金刚石-碳纳米管复合材料及其制备方法和应用 |
| CN117602956B (zh) * | 2023-11-27 | 2025-10-31 | 新化县群华陶瓷科技有限公司 | 98氧化铝光伏绝缘陶瓷 |
| CN118086800B (zh) * | 2024-04-26 | 2024-06-28 | 广州众山功能材料有限公司 | 一种高强高韧铝基碳化硅复合材料及制备工艺 |
-
2013
- 2013-03-18 SK SK29-2013A patent/SK292013A3/sk unknown
-
2014
- 2014-03-13 WO PCT/SK2014/000007 patent/WO2014149007A1/en not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2014149007A1 (en) | 2014-09-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| SK292013A3 (sk) | Kompozitný materiál s homogénnou distribúciou uhlíkových nanorúrok a spôsob jeho výroby | |
| Zhang et al. | Pressureless sintering of carbon nanotube–Al2O3 composites | |
| Hidalgo-Manrique et al. | Copper/graphene composites: a review | |
| Wang et al. | Rapid and low temperature spark plasma sintering synthesis of novel carbon nanotube reinforced titanium matrix composites | |
| JP5578784B2 (ja) | α−酸化アルミニウム・ベースのナノ結晶焼結体、その製造方法およびその使用 | |
| Sarkar et al. | Processing and properties of carbon nanotube/alumina nanocomposites: a review | |
| CN1254339C (zh) | 金属粉末和合金粉末的制备方法 | |
| CN105272269B (zh) | 一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法 | |
| CN104141062B (zh) | 碳纳米管增强Al-Cu合金基复合材料的制备方法 | |
| CN103981393A (zh) | 碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料及其制备方法 | |
| Inbaraj et al. | Processing and properties of sol gel derived alumina–carbon nano tube composites | |
| US11472991B2 (en) | Method of producing alumina ceramics reinforced with oil fly ash | |
| Mohammad et al. | Molecular level mixing: an approach for synthesis of homogenous hybrid ceramic nanocomposite powders | |
| JPWO2007029588A1 (ja) | 高機能複合材料及びその製造方法 | |
| JP5366193B2 (ja) | 高機能複合材料およびその製造方法 | |
| Yang et al. | Dispersion of alumina and silicon carbide powders in alumina sol | |
| CN103443029B (zh) | 氧化铝复合材料、氧化铝复合材料的制造方法及含氧化铝复合材料的高分子组合物 | |
| Liang et al. | Processing and characterization of multi-walled carbon nanotubes containing alumina-carbon refractories prepared by nanocomposite powder technology | |
| Kumar et al. | Effect of flake reinforcement on mechanical properties of AA 6061 nano composite with secondary nano platelet-Graphene processed through powder metallurgy | |
| Saber et al. | A novel route for controlling and improving the texture of porous structures through dual growth of alumina nanoparticles and carbon nanotubes using explosion process of solid fuel | |
| CN1329291C (zh) | 晶相可控的二氧化锆/碳纳米管复合粉体及制备方法 | |
| Shaari et al. | Functionalization of multi-wall carbon nanotubes in chemical solution of H2SO4/HNO3 and its dispersion in different media | |
| Zaman et al. | Carbon nanotube/boehmite-derived alumina ceramics obtained by hydrothermal synthesis and spark plasma sintering (SPS) | |
| Carvalheiras et al. | Catalyst-free CNTs growth on red mud-based alkali activated adsorbents: Innovative route to boost heavy metals adsorption from wastewaters | |
| Das et al. | Extended studies on surface‐treated graphite vis‐à‐vis its application in high alumina refractory castable |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA9A | Suspended patent application procedure at request of an applicant |