[发明专利]晶内铝氧碳弥散强化碳纳米管/铝基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种晶内铝氧碳弥散强化碳纳米管/铝基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。通过调控碳纳米管的长度及碳纳米管/铝复合锭坯的烧结温度，诱导碳纳米管与铝基体及原位自生氧化铝膜之间发生原位膨胀反应，从而获得晶内铝氧碳相弥散增强的铝基复合材料。通过原位反应，不仅能通过体积膨胀扩大碳纳米管的增模效应，同时能协调晶内位错运动，更好地缓解强度和塑性的倒置问题。

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，具体涉及一种晶内铝氧碳弥散强化碳纳米管/铝基复合材料的制备方法。

背景技术

金属基复合材料由于具有弹性模量高、密度低、强度高等特点，在航空航天领域有非常广泛的应用。碳纳米管/铝基复合材料作为新一代纳米金属基复合材料典型代表，近些年备受关注。但目前为止，碳纳米管/铝基复合材料仍然存在分散难，碳纳米管含量受限的问题。即使在一些均匀分散的碳纳米管/铝基复合材料体系，也存在显著的弹性模量-塑性倒置和强度-塑性倒置的问题，即塑性随着增强相含量的提高而急剧降低。

目前的研究中，碳纳米管基本都分布在铝基体的晶界处，这种分布在变形的过程中容易在界面上产生应力集中，从而导致塑性的降低。如果依靠单纯增加碳纳米管含量来提高模量，会显著受到碳纳米管分散技术的限制。此外，若碳纳米管结构损伤比较严重的情况下，极易与铝基体在高温下容易发生反应生成脆性且易潮解的Al₄C₃金属间化合物，影响了该材料的应用。

因此，本发明提出通过控制烧结条件使碳纳米管与铝粉表面原位自生的氧化铝膜发生原位反应生成晶内弥散分布的纳米铝氧碳相，来制备具有更好强塑性的纳米铝基复合材料。即先将碳纳米管与铝粉通过高速剪切预混合，使其长度降低到200nm以内的同时均匀包覆到铝粉表面，继而通过低速球磨制备CNT/铝片状复合粉末并通过原位氧化引入一层纳米氧化铝膜，最后通过调控烧结条件调控烧结条件使CNTs与Al基体及纳米氧化铝发生原位反应，获得高含量晶内分布的纳米铝氧碳相等增强相。控制该反应不仅能通过体积膨胀扩大碳纳米管的增模效应，同时能协调晶内位错运动，更好地缓解强度和塑性的倒置问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶内铝氧碳弥散强化碳纳米管/铝基复合材料的制备方法，通过控制碳纳米管与铝粉的高速剪切预混合工艺，调控碳纳米管/铝复合锭坯的烧结工艺，诱导碳纳米管与铝基体及原位自生氧化铝膜之间发生原位膨胀反应，从而获得高含量的晶内分散的铝氧碳弥散强化铝基复合材料，能同时提高其弹性模量和强度，同时保持良好的塑性。

本发明的目的可以通过以下方案来实现：

本发明提供了一种晶内铝氧碳弥散强化碳纳米管/铝基复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将碳纳米管和球形铝粉末进行预混合，再进行低速球磨，从而获得碳纳米管/铝片状复合粉末；

(2)将碳纳米管/铝片状复合粉末在真空环境中进行脱脂处理，然后进行氧化处理；

(3)将氧化处理后的碳纳米管/铝片状复合粉末进行高速球磨，获得碳纳米管/铝复合颗粒；

(4)将碳纳米管/铝复合颗粒先冷压成块体，然后烧结处理，得到复合锭坯；

(5)将复合锭坯进行热挤压处理，得到晶内铝氧碳弥散强化碳纳米管/铝基复合材料。

优选地，步骤(1)中，所述碳纳米管在碳纳米管/铝片状复合粉末中的含量为0.1～3wt.％。碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管的一种或多种。球形铝粉末的平均粒径为10～100μm，球形铝粉末包括纯铝、铝合金中的一种或几种。

优选地，步骤(1)中，所述预混合的工艺为：转速1800-2000转/min，时间为15-45min。预混合为高速剪切预混合，使碳纳米管(CNTs)长度剪短到200nm以内从而更好更均匀地分散到铝球表面，长度太长的话，后面即使发生反应也不容易进入晶内。