[发明专利]一种纳米洋葱碳增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米洋葱碳增强钛基复合材料及其制备方法，该复合材料主要由纳米洋葱碳和基体钛所组成，其中所述纳米洋葱碳作为增强相，均匀分布在金属钛的基体中起到弥散强化的作用；本发明还公开了所述纳米洋葱碳增强钛基复合材料的制备方法，针对现有技术中存在的缺陷，本发明以纳米金刚石为原料合成纳米洋葱碳，并将其添加到钛基体中获得均匀分布，烧结成型得到致密的钛基复合材料，利用此方法制备的钛基复合材料中纳米洋葱碳分布均匀，杂质含量少且在基体中能保持完整形态，使此复合材料具有优异的综合力学性能。

技术领域

本发明涉及一种纳米洋葱碳增强钛基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

钛及钛合金是继钢铁和金属铝后又一崛起的新金属，具有密度低、强度高、耐高低温、耐腐蚀以及良好的生物相容性等特点。这些突出的特点促使钛及钛合金成为了航空与航天器、海洋、石油化工、生物医药等行业的理想材料。同时钛与钛合金也具有耐磨性差、硬度低等主要问题。急需新的思路和方法来进一步提高钛合金的综合力学性能，满足各相关行业的要求。

纳米洋葱状碳简称为洋葱碳，其尺寸大约在3～50nm，是继C₆₀、碳纳米管之后富勒烯家族的新成员，是碳的一种新同素异形体。洋葱碳的结构为由同心石墨层卷曲而成的多层球状结构，并以碳原子的sp²杂化方式存在的零维碳材料。与纳米金刚石相比，由于其独特的结构特征和强烈的不同于纳米金刚石(碳原子sp³杂化)的碳原子杂化方式，使得纳米洋葱碳具有许多优异的性能。例如，大比表面积、纳米尺寸效应、高的电导率和热稳定性，以及封闭稳定的结构。这些都使得纳米洋葱碳在催化、摩擦、超级电容器、以及电磁屏蔽和复合材料上有了良好的应用前景。纳米洋葱碳的制备方法很多，分为物理方法和化学方法两类。物理方法主要有电弧放电、电子束辐照、等离子体等；化学方法主要有化学气象沉淀、纳米金刚石的热处理等。例如：专利“纳米洋葱碳的高温高压制备方法”(CN105833797A)，但是需要高的压力、单次操作周期长；专利“一种原位生成纳米洋葱碳的制备方法”(CN108220910A)，对基体的要求高、产量低。由于纳米金刚石生产已经实现产业化，其中利用热处理纳米金刚石制备纳米洋葱碳的方法研究较多，操作简单，但是采用常规的炉子需要的温度高(1500℃及其以上)，保温时间长(2-5hs)，能耗高。

同大多数碳材料一样，纳米洋葱碳也可以应用于复合材料添加剂，来提高复合材料的综合性能。目前这方面的研究主要着眼于提高复合材料的摩擦磨损性能、吸波性能、以及电学性能；如：专利“一种碳结构薄膜与石墨烯添加剂固液复合减摩抗磨的方法”(CN108048160A)，专利“一种洋葱碳/MXene层状吸波复合材料的制备方法”(CN107645065A)，专利“一种基于洋葱碳纳米粒子/Ag复合电极的有机太阳能电池及制备方法”(CN106449996A)等。值得注意的是，对纳米洋葱碳作为添加剂的金属基复合材料的力学性能的研究较少，仅有个别相关文献；如：在镍(Ni)基复合材料中利用原位自生的方法用纳米金刚石合成纳米洋葱碳增强相(Carbon 129(2018)631)。近年来，随着纳米金刚石、碳纳米管、以及石墨烯等纳米结构的不断被发现，也使其作为一种增强相在钛基合金材料中的应用日益广泛，同时也取得了良好的效果。但是，用碳纳米管和石墨烯片增强金属基复合材料在制备时会遇到一系列的问题，如碳纳米管容易缠结、石墨烯片容易团聚。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的在于提供一种纳米洋葱碳增强钛基复合材料，其主要是由纳米洋葱碳和基体钛组成；其中，所述纳米洋葱碳作为增强相，均匀分散在钛基体中。

本发明的另一目的在于提供一种纳米洋葱碳增强钛基复合材料的制备方法，利用纳米金刚石粉末为原料，通过放电等离子体烧结炉在特定的参数下得到纳米洋葱碳，该工艺方法需要的温度低，保温时间短，能耗低，而且获得的纳米洋葱碳转化率高、杂质含量少、结构完整；然后将其添加到钛基体中制备得到钛基复合材料，纳米洋葱碳在钛基体中分布均匀并保持完整形态，使此复合材料具有良好的综合力学性能。