本發(fā)明屬于金屬材料鑄造領(lǐng)域，涉及一種鋁基復(fù)合材料，具體為一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料包括一種基體、一種或多種增強相，通過引入增強相獲得某些性質(zhì)，如更好的強度、硬度、熱導(dǎo)、電導(dǎo)和摩擦性能等。如今復(fù)合材料已經(jīng)成為日常生活的一部分，其中金屬基復(fù)合材料經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，也已經(jīng)從軍事國防領(lǐng)域逐漸向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)化，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車和工業(yè)機械等領(lǐng)域。金屬基復(fù)合材料的增強相可分為顆粒增強相、纖維增強相及晶須增強相。顆粒增強相主要有碳化硅顆粒、wc顆粒和氧化鋁顆粒等；纖維增強相主要有硼纖維、碳纖維、氧化鋁纖維和二氧化硅纖維等；晶須增強相主要有碳化硅晶須、氧化鋁晶須和氮化硅晶須等。碳納米管與這些增強相相比具有眾多獨特優(yōu)點，實驗和理論計算均表明碳納米管具有極高的力學(xué)性能、優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。因此自碳納米管被發(fā)明以來一直是復(fù)合材料理想的增強相之一，目前碳納米管及其復(fù)合材料已成為一個極為重要的研究領(lǐng)域。

通過加入碳納米管纖維獲得良好的電導(dǎo)性能，已經(jīng)在聚合物基及陶瓷復(fù)合材料中得到成功的應(yīng)用，有些已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化階段，如碳納米管纖維導(dǎo)電樹脂和導(dǎo)電玻璃等。碳納米管纖維具有歐姆導(dǎo)體和彈道導(dǎo)體兩種不同的性質(zhì)。作為彈道導(dǎo)體，理論上碳納米管纖維電導(dǎo)率可以比銀和銅的電導(dǎo)率高50％。同時理論分析和實際實驗結(jié)果都表明，碳納米管纖維的載流性能遠優(yōu)于銅和銀等金屬材料，因此碳納米管纖維是金屬基復(fù)合材料的理想增強相。但實際上只有完美的、極高質(zhì)量的碳納米管纖維才能表現(xiàn)出彈道特性，實際使用的碳納米管纖維電導(dǎo)率遠低于銅和銀的電導(dǎo)率。所以如何結(jié)合電導(dǎo)率良好的金屬基體以及能夠承載高強度電流的碳納米管纖維，以獲得同時具備高電導(dǎo)高載流的復(fù)合材料，成為金屬基復(fù)合材料的一個研究重點。然而，由于碳納米管纖維與金屬基體間相容性問題、增強體空間分布難以控制問題，碳納米管本身載流量高而電導(dǎo)率相對較低等問題，碳納米管纖維增強金屬基復(fù)合材料尚未展現(xiàn)出對于金屬基體材料電學(xué)性能的顯著提升，或者無法兼顧電學(xué)性能和力學(xué)性能。總體而言，此部分研究仍然處于初期研究階段，無論從制備工藝或是復(fù)合導(dǎo)電機制等方面，還有大量尚待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，獲得一種與鋁基相容性良好，且能夠顯著提升鋁金屬的電學(xué)性能的鋁基復(fù)合材料，本發(fā)明提供了一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料及其制備方法。

技術(shù)方案：一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分數(shù)百分比為：碳納米管13.2～19.5wt.％、銀2.9～5.6wt.％、銅2.1～6.3wt.％、金0.02～0.11wt.％、硼0.2～1.3wt.％、碘0.1～1.1wt.％、石墨1.3～6.5wt.％、碳化硅1.2～3.5wt.％、余量為鋁。

優(yōu)選的，碳納米管的質(zhì)量分數(shù)百分比為15.3～18.5wt.％。

優(yōu)選的，銀元素的質(zhì)量分數(shù)百分比為3.2～5.2wt.％。

優(yōu)選的，銅元素的質(zhì)量分數(shù)百分比為2.2～5.9wt.％。

優(yōu)選的，鋁元素與硼元素的質(zhì)量比大于50。

優(yōu)選的，鋁元素與碘元素的質(zhì)量比大于50。

優(yōu)選的，鋁元素與碳化硅的質(zhì)量比大于35。

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：

(1)將碳納米管加入無水乙醇中，m/v為1:10～23，置于球磨機內(nèi)，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理1～4小時；

(2)向步驟(1)的體系中加入銀、銅和金，超聲處理25～55分鐘，然后置于55～70℃的烘箱中，去除無水乙醇；

(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入硼和碘，在700～780℃內(nèi)保溫1～5小時；

(4)添加石墨和碳化硅后保溫攪勻，在730～800℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置20～40分鐘，再加入表面活性劑，在700～720℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；

(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料。

優(yōu)選的，固溶處理的溫度為490～530℃，時間為5～16小時。

優(yōu)選的，時效處理的溫度為215～260℃，時間為20～48小時。

有益效果：(1)本發(fā)明所述改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料在保證優(yōu)異的力學(xué)性能的同時具有良好的電學(xué)性能；(2)本發(fā)明所述復(fù)合材料中改性后的碳納米管纖維與鋁界面相容性良好，能夠發(fā)揮其增強相的功能；(3)本發(fā)明所述方法能夠結(jié)合碳納米管纖維與特定的金屬元素、非金屬元素的優(yōu)勢，提高鋁基復(fù)合材料的各項性能。

具體實施方式

實施例1

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分數(shù)百分比為：碳納米管13.2wt.％、銀2.9wt.％、銅2.1wt.％、金0.02wt.％、硼0.2wt.％、碘0.1wt.％、石墨1.3wt.％、碳化硅1.2wt.％、余量為鋁。

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：

(1)將碳納米管加入無水乙醇中，m/v為1:10，置于球磨機內(nèi)，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理1小時；

(2)向步驟(1)的體系中加入銀、銅和金，超聲處理25分鐘，然后置于55℃的烘箱中，去除無水乙醇；

(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入硼和碘，在700℃內(nèi)保溫1小時；

(4)添加石墨和碳化硅后保溫攪勻，在730℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置20分鐘，再加入表面活性劑，在700℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；

(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料。

固溶處理的溫度為490℃，時間為5小時。

時效處理的溫度為215℃，時間為20小時。

實施例2

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分數(shù)百分比為：碳納米管15.3wt.％、銀3.2wt.％、銅3.9wt.％、金0.05wt.％、硼0.5wt.％、碘0.6wt.％、石墨2.9wt.％、碳化硅1.8wt.％、余量為鋁。

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：

(1)將碳納米管加入無水乙醇中，m/v為1:13，置于球磨機內(nèi)，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理2小時；

(2)向步驟(1)的體系中加入銀、銅和金，超聲處理30分鐘，然后置于58℃的烘箱中，去除無水乙醇；

(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入硼和碘，在725℃內(nèi)保溫2小時；

(4)添加石墨和碳化硅后保溫攪勻，在745℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置30分鐘，再加入表面活性劑，在705℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；

(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料。

固溶處理的溫度為505℃，時間為8小時。

時效處理的溫度為230℃，時間為28小時。

實施例3

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分數(shù)百分比為：碳納米管16.8wt.％、銀4.5wt.％、銅5.1wt.％、金0.08wt.％、硼0.9wt.％、碘0.8wt.％、石墨4.3wt.％、碳化硅2.6wt.％、余量為鋁。

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：

(1)將碳納米管加入無水乙醇中，m/v為1:19，置于球磨機內(nèi)，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理2小時；

(2)向步驟(1)的體系中加入銀、銅和金，超聲處理45分鐘，然后置于65℃的烘箱中，去除無水乙醇；

(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入硼和碘，在755℃內(nèi)保溫3小時；

(4)添加石墨和碳化硅后保溫攪勻，在775℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置30分鐘，再加入表面活性劑，在705℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；

(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料。

固溶處理的溫度為515℃，時間為12小時。

時效處理的溫度為245℃，時間為35小時。

實施例4

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，包含以下各組分，其質(zhì)量分數(shù)百分比為：碳納米管19.5wt.％、銀5.6wt.％、銅6.3wt.％、金0.11wt.％、硼1.3wt.％、碘1.1wt.％、石墨6.5wt.％、碳化硅3.5wt.％、余量為鋁。

一種改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：

(1)將碳納米管加入無水乙醇中，m/v為1:23，置于球磨機內(nèi)，分散均勻后，加入陽離子表面活性劑，超聲處理4小時；

(2)向步驟(1)的體系中加入銀、銅和金，超聲處理55分鐘，然后置于70℃的烘箱中，去除無水乙醇；

(3)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入硼和碘，在780℃內(nèi)保溫5小時；

(4)添加石墨和碳化硅后保溫攪勻，在800℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置40分鐘，再加入表面活性劑，在720℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；

(5)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料。

固溶處理的溫度為530℃，時間為16小時。

時效處理的溫度為260℃，時間為48小時。

對實施例1～4制備獲得的改性碳納米管增強鋁基復(fù)合材料進行性能測試，結(jié)果如下表所示：