阅读说明：本技术 一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料及其制备方法 (High-toughness single-walled carbon nanotube aluminum alloy-based composite material and preparation method thereof ) 是由 徐文雷 刘爱军 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料,其质量百分数为：单壁碳纳米管0.1％～0.5％,铝合金基体99.5％～99.9％；其铝合金基体预合金粉末为6系或7系变形铝合金,平均粒度为1微米～30微米；本发明还提该复合材料的制备方法,主要步骤为S1原料称取,S2原料混合,S3热压烧结,其烧结温度为450℃～520℃,烧结压力为5MPa～20MPa；S4热轧加工,热轧温度为350℃～450℃,热轧变形量为20％～80％；该复合材料在粉末烧结过程中,单壁碳纳米管在铝合金基体中通过扩散再结晶过程而进一步均匀分布,充分提高了强度；而经过热轧实现复合材料的致密化,进一步提高该复合材料的强度和塑性。(A high-toughness single-walled carbon nanotube aluminum alloy-based composite material comprises the following components in percentage by mass: 0.1 to 0.5 percent of single-walled carbon nanotube and 99.5 to 99.9 percent of aluminum alloy matrix; the pre-alloyed powder of the aluminum alloy matrix is 6 series or 7 series wrought aluminum alloy, and the average particle size is 1-30 microns; the invention also provides a preparation method of the composite material, which mainly comprises the steps of weighing S1 raw materials, mixing S2 raw materials, and carrying out hot-pressing sintering on S3, wherein the sintering temperature is 450-520 ℃, and the sintering pressure is 5-20 MPa; s4, hot rolling, wherein the hot rolling temperature is 350-450 ℃, and the hot rolling deformation is 20-80%; in the powder sintering process of the composite material, the single-walled carbon nanotubes are further uniformly distributed in the aluminum alloy matrix through a diffusion recrystallization process, so that the strength is fully improved; and the densification of the composite material is realized through hot rolling, so that the strength and the plasticity of the composite material are further improved.)

一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金基复合材料加工的技术领域，特别涉及一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料，以及该复合材料的制备方法。

背景技术

在增强基复合材料技术领域，其铝合金基复合材料具有比强度和比模量高，热膨胀系数低，高温性能好的特点，且兼具有良好的耐疲劳性和耐磨性；同时铝合金基复合材料基体选择范围广、材料加工工艺成熟，具有优良的塑性成形性能，同时可热处理性能好，易于加工制备。已成为航空、航天及其他尖端技术部门研究发展的高性能材料的一个重要方向，也是近年来国内外新材料研究的热点之一。通过对铝合金基复合材料基体和增强相成分、含量、分布的优化设计，可以组合出特定的力学性能和物理性能，以满足不同产品性能的需求。因此，开发具有优质性能的铝合金基复合材料具有十分紧迫的现实意义，具有显著的经济效益和社会效益。

其中，单壁碳纳米管拥有卓越的物理性能、纳米级尺寸和化学特性，在提高材料强度的同时，增强了材料的导电性能。与传统添加剂，如多壁碳纳米管、碳纤维和大多数类型的炭黑相比，添加少量的单壁碳纳米管，即可显著改善材料性能。故而，发明一种性能更好、生产效率更高的复合材料及其制备方法，是进一步扩展单壁碳纳米管制备铝合金基复合材料应用领域的关键。

中国专利CN109536780A提供一种碳纳米管增强锌铝合金基复合材料的制备方法，主要分为三个步骤：一、制备CNTs-Zn(碳纳米管-锌基)复合粉末；二、制备CNTs-Zn中间材料；三、熔炼。最终得到碳纳米管增强锌铝合金基复合材料。目前，采用粉末冶金制备单壁碳纳米管增强铝合金基复合材料还未见相关标准及商业应用牌号。特别是单壁碳纳米管复合不同粗细晶粒的铝合金基复合材料商业性产品更少。因此，发明一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料，其单壁碳纳米管作为增强相，使铝合金基体中两种尺度的材料复合，在有效改善了铝合金基体的韧性的同时，还大大提高了铝合金基体的强度，从而形成高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料。同时，本发明还提供了制备该高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的制备方法，该复合材料在粉末烧结过程中，单壁碳纳米管在铝合金基体中通过扩散再结晶过程而进一步均匀分布，充分提高了复合材料的强度；其铝合金基体中粗颗粒的铝合金晶粒和细颗粒的铝合金晶粒交错复合，有助于提高基体的韧性。再经过热轧进一步实现复合材料的致密化，更进一步提高该复合材料的强度和塑性。

为了实现上述目的，本发明提供一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料，其质量百分数为：

单壁碳纳米管：0.1％～0.5％；

铝合金基体：99.5％～99.9％；

其中，所述铝合金基体为预合金粉末；所述铝合金基体为6系变形铝合金或7系变形铝合金的一种或两种的混合物，所述混合物比例为0～1.2；所述6系变形铝合金或7系变形铝合金的预合金粉末平均粒度大小相同或不相同与所述单壁碳纳米管复合。

进一步地，所述6系变形铝合金组分的质量百分数为：

Si：0.4％～0.8％；

Zn：≤0.25％；

Cu：0.15％～0.4％；

Mg：0.8％～1.2％；

Mn：≤0.15％；

Ti：≤0.15％；

Cr：0.04％～0.35％；余量为Al。

进一步地，所述7系变形铝合金组分的质量百分数为：

Si：≤0.4％；

Zn：5.1％～6.1％；

Cu：1.2％～2.0％；

Mg：2.1％～2.9％；

Mn：≤0.3％；

Ti：≤0.2％；

Cr：0.18％～0.28％；

Fe：≤0.5％；余量为Al。

优选地，所述6系变形铝合金组分的质量百分数为：

Si：0.55％；

Zn：0.15％；

Cu：0.3％；

Mg：1.05％；

Mn：0.1％；

Ti：0.1％；

Cr：0.25％；余量为Al。

优选地，所述7系变形铝合金组分的质量百分数为：

Si：0.4％；

Zn：5.68％；

Cu：1.82％；

Mg：2.55％；

Mn：0.25％；

Ti：0.15％；

Cr：0.22％；

Fe：0.35％；余量为Al。

进一步地，所述单壁碳纳米管的管径为1纳米～20纳米，所述单壁碳纳米管的长度0.5微米～30微米；

进一步地，所述6系变形铝合金或7系变形铝合金的预合金粉末的平均粒度为1微米～30微米；

优选地，所述预合金粉末原料中还添加了0.1％～1％的分散剂，结合该铝合金基复合材料的制备方法，可以使单壁碳纳米管在超声波中充分分散到所述的预合金粉末原料中。

优选地，所述分散剂为聚氧乙烯山梨醇酯，优选为吐温80。

为了实现上述目的，本发明还提供制备该高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S1原料称取，分别称取一定量的所述单壁碳纳米管和铝合金基体的预合金粉末原料，且所述铝合金基体为两种不同平均粒度比例混合而成；

S2原料混合，将S1称取的单壁碳纳米管和铝合金基体原料在混合装置中混合均匀，得到混合粉末；

S3热压烧结，将S2混合均匀的粉末进行真空热压烧结，其烧结温度为450℃～520℃，烧结压力为5MPa～20MPa，烧结时间为0.5小时～2小时，得到复合胚料；

S4热轧加工，将S3所述复合胚料进行热轧加工，所述热轧温度为350℃～450℃，热轧变形量为20％～80％；复合胚料经过热轧加工后，得到的复合材料内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小、性能优异的复合材料。

S5铝合金基复合材料，将S4热轧后的复合材料在空气或惰性气体中自然冷却，得到铝合金基复合材料。

优选的，步骤S1中所述两种不同平均粒度比例为：20％～80％；

优选的，步骤S1中所述单壁碳纳米管采用超声波分散到所述铝合金基体的预合金粉末中，所述超声波的分散时间为1小时～3小时；

进一步地，步骤S2所述混合装置采用真空干磨方式，混合时间为1小时～3小时，混合转速为200rpm～300rpm。以使各原料充分混合均匀。

进一步地，步骤S3所述热压烧结是将混合粉末置于钢模具中双向加压，放入烧结炉进行真空烧结，所述烧结温度为480℃～500℃，所述烧结压力为10MPa～15MPa，所述烧结时间为1小时～1.5小时。混合粉末烧结过程中，单壁碳纳米管在铝合金基体中通过扩散再结晶过程而进一步均匀分布，充分提高了复合材料的强度。

进一步地，步骤S4热轧加工的热轧温度为400℃～450℃，热轧变形量为60％～80％。进行热轧后得到的铝合金基复合材料，强度和致密度均得到大幅提高。再经过热轧进一步实现复合材料的致密化，更进一步提高该复合材料的强度和塑性。其铝合金基体中粗颗粒的铝合金晶粒和细颗粒的铝合金晶粒交错复合，还有助于提高基体的韧性。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料，通过专门的制备方法添加的单壁碳纳米管作为增强相，大大提高了复合材料的强度；同时在制备过程由于热压烧结和热轧加工步骤，为该铝合金基复合材料的重熔和再结晶提供了充分条件，使铝合金基复合材料中产生少量的Al4C3强化晶粒，进一步改善材料内部组织结构，也起到增强铝合金基体的作用。同时，在铝合金基体中添加Zn、Cu、Mg、Mn和Si等合金化元素，对基体形成第二相固溶强化或者固溶弥散强化。

2、另外，采用两种6系变形铝合金组分或7系变形铝合金组分，其预合金粉末平均粒度大小不相同，且按照一定的平均粒度比例混合再与单壁碳纳米管形成复合材料，得到两种平均粒度铝合金基体平均粒度组织，粗颗粒具有更高的断裂功，从而提供更高的韧性。经过热压烧结和热轧加工进一步提高该复合材料的致密度和强度。测试结果表明，本发明的铝合金基复合材料的抗拉强度为500MPa～900MPa，延伸率为7.5％～12％，致密度为99％～100％。本发明铝合金基复合材料具有优异的综合性能。

3、本发明的制备方法在制备铝合金基复合材料过程中，该铝合金基复合材料经过粉末冶金热压烧结步骤和热轧加工步骤，得到了高性能铝合金基复合材料。在粉末冶金热压烧结过程中，在热扩散和分散剂的双重作用下，单壁碳纳米管在铝合金基体中均匀分布，有助于提高铝合金基复合材料的强度；铝合金基体中粗颗粒的铝合金和细颗粒的交错复合，有助于提高铝合金基体的韧性。随后的热轧工艺进一步实现铝合金基复合材料的致密化，同时提高材料的强度和塑性。

附图说明

图1是本发明一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的工艺流程图；

图2是本发明一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的单壁碳纳米管形貌；

图3是本发明一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的铝合金基材粉末形貌。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，以使本领域技术人员能够充分理解本发明的技术内容。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：本实施例提供一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料及其制备方法，该高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料，其质量百分数为：

单壁碳纳米管：0.1％～0.5％；

铝合金基体：99.5％～99.9％；

其中，铝合金基体预合金粉末为6系变形铝合金或7系变形铝合金的一种或两种的混合物，其混合物比例为0～1.2；其预合金粉末平均粒度大小相同或不相同与单壁碳纳米管复合。预合金粉末的平均粒度为1微米～30微米；单壁碳纳米管的管径为1纳米～20纳米，单壁碳纳米管的长度0.5微米～30微米；预合金粉末原料中还添加了0.1％～1％的分散剂，结合该铝合金基复合材料的制备方法，可以使单壁碳纳米管在超声波中充分分散到的预合金粉末原料中。

其中6系变形铝合金组分的质量百分数为：

Si：0.4％～0.8％；

Zn：≤0.25％；

Cu：0.15％～0.4％；

Mg：0.8％～1.2％；

Mn：≤0.15％；

Ti：≤0.15％；

Cr：0.04％～0.35％；余量为Al。

其中7系变形铝合金组分的质量百分数为：

Si：≤0.4％；

Zn：5.1％～6.1％；

Cu：1.2％～2.0％；

Mg：2.1％～2.9％；

Mn：≤0.3％；

Ti：≤0.2％；

Cr：0.18％～0.28％；

Fe：≤0.5％；余量为Al。

该高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1原料称取，分别称取一定量的单壁碳纳米管和铝合金基体的预合金粉末原料，预合金粉末的平均粒度为1微米～30微米；且铝合金基体为两种不同平均粒度比例混合而成；两种不同平均粒度比例为20％～80％；单壁碳纳米管采用超声波分散到铝合金基体的预合金粉末中，超声波的分散时间为1小时～3小时；

S2原料混合，将S1称取的单壁碳纳米管和铝合金基体原料在混合装置中混合均匀，得到混合粉末；混合装置采用真空干磨方式，混合时间为1小时～3小时，混合转速为200rpm～300rpm；

S3热压烧结，将S2混合均匀的粉末进行真空热压烧结，其烧结温度为450℃～520℃，烧结压力为5MPa～20MPa，烧结时间为0.5小时～2小时，得到复合胚料；

S4热轧加工，将S3复合胚料进行热轧加工，热轧温度为350℃～450℃，热轧变形量为20％～80％；复合胚料经过热轧加工后，得到的复合材料内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小、性能优异的复合材料。

S5铝合金基复合材料，将S4热轧后的复合材料在惰性气体中自然冷却，得到铝合金基复合材料。

由于采用两种6系变形铝合金或7系变形铝合金，其预合金粉末平均粒度大小不相同，且按照一定的平均粒度比例混合再与单壁碳纳米管形成复合材料，得到两种平均粒度铝合金基体平均粒度组织，粗颗粒具有更高的断裂功，从而提供更高的韧性。经过热压烧结和热轧加工进一步提高该复合材料的致密度和强度。测试结果表明，该铝合金基复合材料的抗拉强度为500MPa～900MPa，延伸率为7.5％～12％，致密度为99％～100％，该铝合金基复合材料具有优异的综合性能。

实施例2：本实施例提供另一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料及其制备方法，该高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料，其铝合金基体预合金粉末6系变形铝合金和7系变形铝合金质量百分数为：

6系变形铝合金组分的质量百分数为：

Si：0.55％；

Zn：0.15％；

Cu：0.3％；

Mg：1.05％；

Mn：0.1％；

Ti：0.1％；

Cr：0.25％；余量为Al。

7系变形铝合金组分的质量百分数为：

Si：0.4％；

Zn：5.68％；

Cu：1.82％；

Mg：2.55％；

Mn：0.25％；

Ti：0.15％；

Cr：0.22％；

Fe：0.35％；余量为Al。

本实施例中，该高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的制备方法，步骤如下：

S1原料称取，单壁碳纳米管为0.1％，铝合金基体预合金粉末为99.9％，其中6系变形铝合金的平均粒度为10微米，含量为49.95％，7系变形铝合金的平均粒度为1微米，含量为50.05％，两种不同平均粒度比例为20％～80％；单壁碳纳米管采用超声波分散到铝合金基体的预合金粉末中，超声波的分散时间为1小时；

S2原料混合，将S1称取的单壁碳纳米管和铝合金基体原料在混合装置中混合均匀，得到混合粉末；混合装置采用真空干磨方式，混合时间为2小时，混合转速为200rpm；

S3热压烧结，将S2混合均匀的粉末进行真空热压烧结，其烧结温度为500℃，烧结压力为10MPa，烧结时间为1小时，得到复合胚料；

S4热轧加工，将S3复合胚料进行热轧加工，热轧温度为400℃，热轧变形量为20％；复合胚料经过热轧加工后，得到的复合材料内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小、性能优异的复合材料。

S5铝合金基复合材料，将S4热轧后的复合材料在氮气中自然冷却，得到铝合金基复合材料。

按照上述方法制备的铝合金基复合材料进行性能检测，结果参见表1。

实施例3：与实施例2的区别在于，步骤S1中，铝合金基体预合金粉末为99.9％，其中6系变形铝合金的平均粒度为10微米，含量为50.05％，7系变形铝合金的平均粒度为25微米，含量为49.95％。热轧变形量为30％。

按照上述方法制备的铝合金基复合材料进行性能检测，结果参见表1。

实施例4：与实施例2的区别在于，步骤S1中，单壁碳纳米管为0.5％，铝合金基体预合金粉末为99.5％，其中6系变形铝合金的平均粒度为10微米，含量为50.05％，7系变形铝合金的平均粒度为15微米，含量为49.95％；预合金粉末的平均粒度为30微米，单壁碳纳米管的管径为20纳米，单壁碳纳米管的长度0.5微米～30微米；预合金粉末原料中还添加了1％的分散剂。热轧变形量为70％。

按照上述方法制备的铝合金基复合材料进行性能检测，结果参见表1。

实施例5：本实施例提供另一种高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料及其制备方法，该高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料，其铝合金基体预合金粉末为6系变形铝合金组分质量百分数为：

Si：0.52％；

Cu：0.28％；

Mg：1.03％；

余量为Al。

本实施例中，该高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的制备方法，步骤如下：

S1原料称取，单壁碳纳米管为0.1％，铝合金基体预合金粉末为99.9％，其中6系变形铝合金的平均粒度为10微米，含量为49.95％，平均粒度为5微米，含量为50.05％，单壁碳纳米管采用超声波分散到铝合金基体的预合金粉末中，超声波的分散时间为1小时；

S2原料混合，将S1称取的单壁碳纳米管和铝合金基体原料在混合装置中混合均匀，得到混合粉末；混合装置采用真空干磨方式，混合时间为2小时，混合转速为300rpm；

S3热压烧结，将S2混合均匀的粉末进行真空热压烧结，其烧结温度为500℃，烧结压力为10MPa，烧结时间为1小时，得到复合胚料；

S4热轧加工，将S3复合胚料进行热轧加工，热轧温度为400℃，热轧变形量为50％；复合胚料经过热轧加工后，得到的复合材料内部组织进一步致密化，有利于得到组织均匀细小、性能优异的复合材料。

S5铝合金基复合材料，将S4热轧后的复合材料在空气中自然冷却，得到铝合金基复合材料。

按照上述方法制备的铝合金基复合材料进行性能检测，结果参见表1。

实施例6：与实施例5的区别在于，步骤S1中单壁碳纳米管为0.4％，铝合金基体预合金粉末为99.6％，预合金粉的平均粒度为1微米，含量为49.8％，平均粒度为15微米，含量为50.2％，单壁碳纳米管采用超声波分散到铝合金基体的预合金粉末中，超声波的分散时间为1小时；步骤S4热轧加工，热轧温度为420℃，热轧变形量为60％；

按照上述方法制备的铝合金基复合材料进行性能检测，结果参见表1。

实施例7：其铝合金基体预合金粉末为7系变形铝合金组分质量百分数为：

Si：0.43％；

Zn：6.3％；

Cu：1.37％；

Mg：1.85％；

Mn：0.24％；

余量为Al。

与实施例5的区别在于，步骤S1中单壁碳纳米管为0.2％，铝合金基体预合金粉末为99.8％，预合金粉的平均粒度为15微米，含量为49.9％，平均粒度为25微米，含量为50.1％，单壁碳纳米管采用超声波分散到铝合金基体的预合金粉末中，超声波的分散时间为1小时；

步骤S3其烧结温度为520℃，烧结压力为10MPa，烧结时间为1小时；

步骤S4热轧加工，热轧温度为450℃，热轧变形量为40％；

按照上述方法制备的铝合金基复合材料进行性能检测，结果参见表1。

实施例8：与实施例5的区别在于，步骤S1中单壁碳纳米管为0.4％，铝合金基体预合金粉末为99.6％，预合金粉的平均粒度为20微米，含量为49.8％，平均粒度为30微米，含量为50.2％，单壁碳纳米管采用超声波分散到铝合金基体的预合金粉末中，超声波的分散时间为1小时；

步骤S3其烧结温度为520℃，烧结压力为10MPa，烧结时间为1.5小时；

步骤S4热轧加工，热轧温度为450℃，热轧变形量为80％；

按照上述方法制备的铝合金基复合材料进行性能检测，结果参见表1。

表1高强韧性单壁碳纳米管铝合金基复合材料的性能检测表

组别	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)	致密度(％)
				实施例2	510	11	99.7
实施例3	520	10.5	99.8
				实施例4	500	9.5	99.8
实施例5	480	11	99.7
				实施例6	539	9.5	99.7
实施例7	690	9	99.8
				实施例8	796	8.5	99.5

通过上述实施例，我们可知，本发明的制备方法在制备铝合金基复合材料过程中，该铝合金基复合材料经过粉末冶金热压烧结步骤和热轧加工步骤，得到了高性能铝合金基复合材料；该铝合金基复合材料的抗拉强度可以到500MPa～900MPa，延伸率为7.5％～12％，致密度为99％～100％。本发明铝合金基复合材料具有优异的综合性能，可通过调节颗粒比例进行性能组装，具有广阔的应用前景。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。