[发明专利]一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术

自从1991年，日本科学家发现碳纳米管(CNTs)以来，由于其具有优异的机械性能、弹性模量及优良的物理性能。强度为钢的10-100倍，具有优良的变形性能，约为钢的60倍，而其密度只有钢的几分之一，CNTs有优于任何纤维的韧性；并且平均杨氏模量可达到1～1.8TPa，大概是钢的100倍。除以上优异的力学性能之外，还具有优良的热电性能，在2800℃的高温真空环境下，其导热性能稳定，比金刚石高出2倍，输电能力是铜的1000倍。因此，CNTs凭借其极高的比强度和比刚度，极低的密度和轴向热膨胀系数和独特的导电导热性，被普遍认为是最具有前景的陶瓷、聚合物及金属基复合材料的增强相。

在金属材料中加入性能优异的碳纳米管，可以提高金属基复合材料的抗拉强度、伸长率等，可制备有高的比强度、比刚度、好的减振性、高的尺寸稳定性及高的导热率。CNTs作为增强相制备金属基复合材料时，由于碳纳米管的结构比较稳定、大的比表面积和极高的纵横比，碳纳米管之间存在较强的范德华力，使得碳纳米管之间团聚和缠绕现象严重造成界面结合强度弱，而弱的界面结合强度会严重破坏复合材料的性能，因此，提高碳纳米管在金属基体中均匀分散性及与金属基的界面结合强度，成为制备性能优异的碳纳米管增强金属基复合材料的关键。

目前，以碳纳米管作为增强相制备金属(铝、镁、铜等)基复合材料是当前的研究热点和发展方向之一。主要采用粉末冶金法、高能球磨法、喷射沉积法、熔体浸渗法和搅拌铸造法等制备金属基复合材料，如“一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法”(授权公告号CN103014567A)的发明，采用碳纳米管与金属粉末混合后球墨，然后采用箔纸包裹利用钟罩将其加入到镁基体材料熔体中。在“原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法”(授权公告号CN102676859A)的发明中，采用在催化前躯体上生长碳纳米管，然后与镁粉混合球墨，最后烧结、挤压成型至原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料。

综上，现有的多种制备碳纳米管增强金属基复合材料的方法，出现碳纳米管分散不均匀和碳纳米管与金属基体界面结合差的问题，在制备过程中，也存在引入不利于环境友好的物质，工艺过程较复杂，及不利于工业化大批量生产等不足。因此，如何通过简单有效的分散碳纳米管方法、及利于工业批量生产和环境友好的制备方法，是当前制备碳纳米管增强金属基复合材料的主要研究方向。

发明内容

本发明的技术目的是针对当前碳纳米管在金属基复合材料制备工艺中的不足，提供一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法。该方法利用碳纳米管与金属颗粒混合粉末，通过一系列工艺流程，制得碳纳米管增强金属基复合材料。该方法可批量生产、工艺方法简便、碳纳米管分散均匀、与基体界面结合良好、污染小环境友好等优点，在航空航天、军工产品、汽车、3C等对碳纳米管增强金属基复合材料有需求的领域有广阔的应用前景。

一种碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法，是通过以下技术方案实现的，其步骤别为：(1)碳纳米管与金属颗粒混合物的压实；(2)碳纳米管与金属颗粒混合物块体的挤压；(3)碳纳米管增强金属基复合材料的制备。具体如下：

(1)碳纳米管与金属颗粒混合物的压实

称取碳纳米管与金属颗粒混合均匀，将其在金属模具中压实成块状，获得碳纳米管与金属颗粒的混合物块体；

优选碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或两种碳纳米管任意比例的组合，且碳纳米管的纯度大于99.0wt.％；金属颗粒优选粒径为50～300目的纯镁、纯铝颗粒，纯镁颗粒中镁元素含量大于99.0wt.％，纯铝颗粒中铝元素含量大于99.0wt.％；碳纳米管在混合物块体中的含量为0.1～5.0wt.％。

(2)碳纳米管与金属颗粒混合物块体的挤压

将步骤(1)中得到的碳纳米管与金属颗粒混合物块体放入挤压模具中，将模具预热至设定温度后，以设定的挤压比将上述混合物块体挤压成棒材，获得碳纳米管与金属颗粒混合物前躯体棒材；热挤压模具的预热温度为250～350℃，挤压比为10～25。

(3)碳纳米管增强金属基复合材料的制备