[发明专利]一种改性碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料铸造领域，涉及一种铝基复合材料，具体为一种改性碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

复合材料包括一种基体、一种或多种增强相，通过引入增强相获得某些性质，如更好的强度、硬度、热导、电导和摩擦性能等。如今复合材料已经成为日常生活的一部分，其中金属基复合材料经过近几十年的发展，也已经从军事国防领域逐渐向民用领域转化，目前被广泛应用于航空航天、高速列车和工业机械等领域。金属基复合材料的增强相可分为颗粒增强相、纤维增强相及晶须增强相。颗粒增强相主要有碳化硅颗粒、WC颗粒和氧化铝颗粒等；纤维增强相主要有硼纤维、碳纤维、氧化铝纤维和二氧化硅纤维等；晶须增强相主要有碳化硅晶须、氧化铝晶须和氮化硅晶须等。碳纳米管与这些增强相相比具有众多独特优点，实验和理论计算均表明碳纳米管具有极高的力学性能、优异的导电和导热性能。因此自碳纳米管被发明以来一直是复合材料理想的增强相之一，目前碳纳米管及其复合材料已成为一个极为重要的研究领域。

通过加入碳纳米管纤维获得良好的电导性能，已经在聚合物基及陶瓷复合材料中得到成功的应用，有些已经进入产业化阶段，如碳纳米管纤维导电树脂和导电玻璃等。碳纳米管纤维具有欧姆导体和弹道导体两种不同的性质。作为弹道导体，理论上碳纳米管纤维电导率可以比银和铜的电导率高50％。同时理论分析和实际实验结果都表明，碳纳米管纤维的载流性能远优于铜和银等金属材料，因此碳纳米管纤维是金属基复合材料的理想增强相。但实际上只有完美的、极高质量的碳纳米管纤维才能表现出弹道特性，实际使用的碳纳米管纤维电导率远低于铜和银的电导率。所以如何结合电导率良好的金属基体以及能够承载高强度电流的碳纳米管纤维，以获得同时具备高电导高载流的复合材料，成为金属基复合材料的一个研究重点。然而，由于碳纳米管纤维与金属基体间相容性问题、增强体空间分布难以控制问题，碳纳米管本身载流量高而电导率相对较低等问题，碳纳米管纤维增强金属基复合材料尚未展现出对于金属基体材料电学性能的显著提升，或者无法兼顾电学性能和力学性能。总体而言，此部分研究仍然处于初期研究阶段，无论从制备工艺或是复合导电机制等方面，还有大量尚待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了克服现有技术的缺陷，获得一种与铝基相容性良好，且能够显著提升铝金属的电学性能的铝基复合材料，本发明提供了一种改性碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法。

技术方案：一种改性碳纳米管增强铝基复合材料，包含以下各组分，其质量分数百分比为：碳纳米管13.2～19.5wt.％、银2.9～5.6wt.％、铜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.％、余量为铝。

优选的，碳纳米管的质量分数百分比为15.3～18.5wt.％。

优选的，银元素的质量分数百分比为3.2～5.2wt.％。

优选的，铜元素的质量分数百分比为2.2～5.9wt.％。

优选的，铝元素与硼元素的质量比大于50。

优选的，铝元素与碘元素的质量比大于50。

优选的，铝元素与碳化硅的质量比大于35。

一种改性碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，包含以下步骤：

(1)将碳纳米管加入无水乙醇中，m/v为1:10～23，置于球磨机内，分散均匀后，加入阳离子表面活性剂，超声处理1～4小时；

(2)向步骤(1)的体系中加入银、铜和金，超声处理25～55分钟，然后置于55～70℃的烘箱中，去除无水乙醇；

(3)将纯铝进行熔化，待其熔化一半时加入硼和碘，在700～780℃内保温1～5小时；

(4)添加石墨和碳化硅后保温搅匀，在730～800℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置20～40分钟，再加入表面活性剂，在700～720℃撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；

(5)对铝合金熔体进行重力铸造，得到铝合金铸件；将铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后即可制得改性碳纳米管增强铝基复合材料。

优选的，固溶处理的温度为490～530℃，时间为5～16小时。

优选的，时效处理的温度为215～260℃，时间为20～48小时。