專利名稱：一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種復(fù)合材料的制備方法，特別是一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯(Graphene)是材料科學(xué)和凝固態(tài)物理學(xué)界的一顆新星。自從2004年,英國曼徹斯曼大學(xué)的Geim和Novoselov等人，采用微機械剝離的方法將石墨薄片從熱膨脹石墨上剝離下來觀察到單層石墨烯，并對其電學(xué)性能進行研究，石墨烯便以其獨特的單原子層厚的二維晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)以及機械性能吸引了眾多學(xué)者的目光。石墨烯是目前已知材料中最薄的一種，只有一個原子層厚(約O. 34nm)，但是它也是目前已知材料中強度最高的，達到125GPa，是鋼的100多倍。
人們對鋁基復(fù)合材料的研究由來已久，到現(xiàn)在已經(jīng)走過了三代的發(fā)展歷程，鋁合金的增強體既有顆粒也有纖維。碳化硅纖維增強6061A1和7075A1合金的疲勞強度比基體增加50%以上。晶須(短纖維)及連續(xù)纖維也是目前鋁基復(fù)合材料的幾種主要增強相。在鋁合金基體中加入適當(dāng)?shù)睦w維，顆粒等增強體可以提高材料的耐磨性，降低熱膨脹系數(shù)等。從石墨烯優(yōu)異的力學(xué)性能和極小的尺寸來看，是一種很好的鋁基復(fù)合材料增強相。本發(fā)明采用納米碳材料石墨烯(Graphene),來制備招基復(fù)合材料。鋁基復(fù)合材料的制備工藝相當(dāng)多，根據(jù)復(fù)合時的狀態(tài)可分為固相工藝、液相工藝和液固雙相工藝。目前，鋁基復(fù)合材料具體的制備方法主要有以下幾種(I)攪拌鑄造法攪拌鑄造法即將鋁或鋁合金放入熔煉爐中熔化，在一定的溫度范圍，一定的攪拌速度下向鋁液中加入增強相，制得復(fù)合材料。攪拌鑄造法工藝簡單、操作方便，可以生產(chǎn)大體積的復(fù)合材料，但加入的增強相的用量有所限制，且易造成增強顆粒分布不均勻。(2)原位合成法原位合成法指增強材料在復(fù)合材料制造過程中，在基體中自己生成和生長。此種方法對合金的成分設(shè)計和體系內(nèi)的一些化學(xué)反應(yīng)要求很高。由于石墨烯化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很難與其他物質(zhì)反應(yīng)，所以此種方法很難實現(xiàn)。(3)多層噴射沉積法多層噴射沉積法是將金屬液體被注入到坩堝中，通過導(dǎo)液管流入噴槍，被高壓氣體霧化成液粒噴射液，根據(jù)沉積坯形狀和冷速的要求，按一定的規(guī)律進行勻速或變速運動，液粒掃描沉積在基體上。噴射沉積態(tài)坯料的密度一般為理論密度的85% 90%，坯料中存在孔隙較多。(4)擠壓鑄造法擠壓鑄造是將增強體制成預(yù)成型體，放入模型中預(yù)熱，再澆入金屬熔體并將模具壓下并加壓，迅速冷卻得到所需的復(fù)合材料。但是受到大體積產(chǎn)品的形狀和尺寸的影響，對大體積零件的適應(yīng)性不高。
(5)粉末冶金法粉末冶金法是最早開發(fā)用于制備金屬基復(fù)合材料的工藝，制備的金屬基復(fù)合材料綜合性能優(yōu)良。一般粉末冶金包括粉末制備、粉末成形和粉末燒結(jié)過程。由于絕大多數(shù)增強相的潤濕性很差，且在液體里很容易發(fā)生團聚，增強相的分布極不均勻，不能發(fā)揮其應(yīng)有的增強效果。當(dāng)采用液相工藝和固液雙相工藝時，增強相和基體之間的結(jié)合性很差，不能相容，并且增強相在基體內(nèi)部的分布很不均勻。本發(fā)明所用的增強相為石墨烯，比表面積很大，在液體中極容易發(fā)生團聚，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難與其他物質(zhì)反應(yīng)，故不可能采用液相工藝或固液相工藝。因此采用包覆粉末加工成形，來制得鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明所用的方法類似于粉末冶金法，但比傳統(tǒng)的粉末冶金法簡單易操作，減少了模具加工這一環(huán)節(jié)，從而節(jié)約成本。傳統(tǒng)的粉末冶金法對模具的要求很高，且對壓力需要精確控制以免損壞模具。本發(fā)明采用鋁材代替模具的方法，包覆粉末進行成形，采用鍛壓一軋制的方法制備加工納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料，以純鋁和石墨烯為例，所得成品的抗拉強度比基體提高50%、硬度比基體提高30%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種類似于粉末冶金的方法來制備鋁基復(fù)合材料，采用鋁材代替模具，包覆粉末加工成形，該方法解決了粉末冶金過程中對模具的精確要求問題。通過優(yōu)化加熱溫度、加熱時間、增強相的含量等工藝參數(shù)，建立技術(shù)方案，本發(fā)明的目的是通過下述工藝步驟實現(xiàn)的第一步，將純鋁或鋁合金材料作退火處理，并對其表面進行堿液清洗和清水清洗，清洗后涼干或烘干；第二步，將純鋁或鋁合金粉末與納米碳材料按一定的比例進行充分混合、攪拌均勻；第三步，用第一步處理過的純鋁或鋁合金材料包覆混合粉末，壓實并密封，再用壓力機壓制成預(yù)制塊；第四步，將第三步所得預(yù)制塊軋制成最終成品。上述碳納米材料可以是石墨烯、氧化石墨烯、鍍銅石墨烯、鍍鎳石墨烯或鍍鎢石墨烯等。上述的納米碳材料也可采用碳納米管(CNTs)或其金屬鍍層產(chǎn)物。所用的鋁粉可以是純鋁粉或是鋁合金粉末，顆粒大小為100-300目。所用的包覆鋁材可以是管材、板材或是其他鋁及鋁合金之類的型材。所用碳納米材料的含量用質(zhì)量分數(shù)表示或用體積分數(shù)表示，質(zhì)量分數(shù)為O. 1%-8% (占所用鋁粉的質(zhì)量百分比)，體積分數(shù)為O. 1%-15% (占所用鋁粉的體積百分比)。在用鋁材包覆粉末進行壓制成預(yù)制塊的過程中，若所用的鋁材為鋁管，則鋁管有豎直放和水平放兩種方式。豎直放時，鋁管兩段用鋁液澆注密封；水平放時，鋁管兩段用壓力機壓緊密封。在用壓力機壓預(yù)制塊時，有冷壓和熱壓兩種方式，熱壓溫度為200-50(TC ；·軋制也有冷軋和熱軋兩種方式，熱軋溫度為200-600°C，熱軋前需在氬氣的保護環(huán)境下進行
O.5-4h 燒結(jié)。對于用壓力機壓制成預(yù)制塊之后的成形方法或過程，可以根據(jù)實際成品需要而定，在這里提到的是軋制，當(dāng)然也可以是擠壓、拉拔、復(fù)壓等，或者經(jīng)本步驟的成形之后再經(jīng)相關(guān)成形而得到最終成品。如鍛壓一軋制、鍛壓一復(fù)壓一軋制、鍛壓一擠壓等均可。本發(fā)明的有益效果(I)和傳統(tǒng)粉末冶金相比較，用鋁材代替了模具，省去了為加工模具所需要的大量費用，且操作簡便，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。(2)實現(xiàn)了新型納米碳材料與鋁的很好的結(jié)合，由于多次大的變形，可以使復(fù)合材料達到很高的致密度，提高了基體的力學(xué)性能，可以制備出高性能的新型鋁基復(fù)合材料。


附圖I為本發(fā)明的工藝流程示意圖。
具體實施例方式參照圖1，一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，該方法是通過下述步驟實現(xiàn)的I、將純鋁或鋁合金材料作退火處理，并對其表面進行堿液清洗和清水清洗，清洗后涼干或烘干；2、將純鋁或鋁合金粉末與納米碳材料按一定的比例，其中納米碳材料質(zhì)量分數(shù)為
O.1%_8%或體積分數(shù)為O. 1%_15%，進行充分混合、攪拌均勻；3、用步驟I處理過的純鋁或鋁合金材料包覆混合粉末，壓實并密封，再用壓力機壓制成預(yù)制塊；4、將步驟3所得預(yù)制塊軋制成最終成品。實施例一稱取IOOg純鋁粉(顆粒度為200目)和Ig石墨烯，用球磨機充分混合均勻后裝入已經(jīng)洗凈的鋁管內(nèi)，將鋁管內(nèi)的混合粉末壓實并用壓力機將鋁管兩段壓緊密封。將試樣加熱到450°C，用壓力機將粉末試樣壓制成具有一定密度的預(yù)制塊。將所得預(yù)制塊在氬氣的保護環(huán)境下燒結(jié)Ih后進行熱軋，燒結(jié)溫度為550°C。所得實驗樣品在室溫下的抗拉強度達到142MPa,維氏硬度約為41kg/mm2。實施例二稱取IOOg純鋁粉(顆粒度為200目)和5g鍍銅石墨烯，用球磨機充分混合均勻后裝入已經(jīng)洗凈的鋁管內(nèi)，將鋁管內(nèi)的混合粉末壓實并用壓力機將鋁管兩段壓緊密封。將試樣加熱到400°C，用壓力機將粉末試樣壓制成具有一定密度的預(yù)制塊。將所得預(yù)制在塊氬氣的保護環(huán)境下燒結(jié)I. 5h后進行熱軋，燒結(jié)溫度為500°C。所得實驗樣樣品在室溫下的的抗拉強度達到160MPa，維氏硬度約為50kg/mm2。實施例三稱取IOOg純鋁粉(顆粒度為200目)和3g鍍銅石墨烯，用球磨機充分混合均勻后裝入已經(jīng)洗凈的鋁管內(nèi)，將鋁管內(nèi)的混合粉末壓實并用壓力機將鋁管兩段壓緊密封。再用壓力機進行冷壓成形，冷壓變形的壓下量要大于熱壓變形。冷壓后將所得預(yù)制塊在氬氣的保護環(huán)境下燒結(jié)2h后進行熱軋，燒結(jié)溫度為550°C。所得實驗樣樣品在室溫下的抗拉強度達到153MPa，維氏硬度約為42kg/mm2。
以上所述，僅為本發(fā)明所舉的石墨烯/Al復(fù)合材料和石墨烯-Cu/Al復(fù)合材料的具 體實施例子，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，例中所用的材料和實驗參數(shù)很容易被替換，但都涵蓋在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，即鋁材包覆粉末加工成形的方法，該方法是通過下述步驟實現(xiàn)的 第一步，將純鋁或鋁合金材料作退火處理，并對其表面進行堿液清洗和清水清洗，清洗后涼干或烘干； 第二步，將純鋁或鋁合金粉末與納米碳材料按一定的比例，將其進行充分混合、攪拌均勻； 第三步，用第一步處理過的純鋁或鋁合金材料包覆混合粉末，壓實并密封，再用壓力機壓制成預(yù)制塊； 第四步，將第三步所得預(yù)制塊軋制成最終成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的碳納米材料采用石墨烯、氧化石墨烯、鍍銅石墨烯、鍍鎳石墨烯或鍍鎢石墨烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的碳納米材料采用碳納米管或其金屬鍍層產(chǎn)物。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所用的鋁粉是純鋁粉或是鋁合金粉末，顆粒大小為100-300目，所用的包覆鋁材采用管材、板材或鋁及鋁合金型材。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所用碳納米材料的含量占所用鋁粉質(zhì)量的百分比為O. 1%-8%或碳納米材料的含量占所用鋁粉體積的百分比為O. 1%-15%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于在用鋁材包覆粉末進行壓制成預(yù)制坯的過程中，若所用的鋁材為鋁管，則鋁管有豎直放和水平放兩種方式，豎直放時，鋁管兩段用鋁液澆注密封；水平放時，鋁管兩段用壓力機壓緊密封。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的壓制成預(yù)制塊，有冷壓和熱壓兩種方式，熱壓溫度為200-500°C;軋制也有冷軋和熱軋兩種方式，熱軋溫度為200-600°C，熱軋前的燒結(jié)時間為O. 5-4h且在氬氣的保護下進行燒結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求7所述的一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于對于用壓力機壓制成預(yù)制塊之后的成形方法或過程，根據(jù)實際成品需要而定，采用軋制、擠壓、拉拔、復(fù)壓，或者經(jīng)本步驟的成形之后再經(jīng)相關(guān)成形而得到最終成品，如鍛壓一軋制、鍛壓一復(fù)壓一軋制、鍛壓一擠壓均可。
全文摘要
一種納米碳材料增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，該方法類似于粉末冶金的方法，即鋁材包覆粉末加工成形法，主要解決粉末冶金過程中對模具要求精確的問題。該方法通過下述步驟實現(xiàn)1、將純鋁或鋁合金材料作退火處理，并對其表面進行堿液清洗和清水清洗，清洗后涼干或烘干；2、將純鋁或鋁合金粉末與納米碳材料按一定的比例，即納米碳材料質(zhì)量分數(shù)為0.1%-8%進行充分混合、攪拌均勻；3、用步驟1處理過的純鋁或鋁合金材料包覆混合粉末，壓實并密封，再用壓力機壓制成預(yù)制塊；4、將步驟3所得預(yù)制塊軋制成最終成品。本發(fā)明成本低、流程短、操作簡便，容易實現(xiàn)工業(yè)化。
文檔編號C22C1/10GK102864324SQ201210327450
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者管仁國, 左良, 胡芳友, 馮振仙, 李喜坤 申請人:東北大學(xué)