阅读说明：本技术 一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法 (Method for preparing carbon nano tube reinforced aluminum matrix composite ) 是由 李铜玲 于 2018-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法。该方法包括以下步骤：按重量份数计称取以下原料：纳米铝18-28份、纳米二氧化钛1-4份、碳纳米管20-28份、竹纤维1-8份、聚乙烯二醇24-43份、氧化铝45-60份、聚乙二醇40-50份、改性淀粉1-3份；将碳纳米管浸入改性淀粉中低温冷冻干燥后,投入球磨机中磨碎后,通过磁力溅射技术溅射得改性碳纳米管；将氧化铝和竹纤维混合投入球磨机中球磨,再加入聚乙烯二醇和聚乙二醇,搅拌均匀后,加入改性碳纳米管继续搅拌后,投入双螺杆挤出机,压制成铝基复合材料。本发明制备得到的复合材料具有质轻、力学性能优异的特点,制备方法简单易行,适于工业生产。(The invention discloses a method for preparing a carbon nano tube reinforced aluminum matrix composite. The method comprises the following steps: weighing the following raw materials in parts by weight: 18-28 parts of nano aluminum, 1-4 parts of nano titanium dioxide, 20-28 parts of carbon nano tubes, 1-8 parts of bamboo fibers, 24-43 parts of polyethylene glycol, 45-60 parts of aluminum oxide, 40-50 parts of polyethylene glycol and 1-3 parts of modified starch; immersing the carbon nano tube into modified starch, freezing and drying at low temperature, putting into a ball mill, grinding, and sputtering by a magnetic sputtering technology to obtain the modified carbon nano tube; mixing alumina and bamboo fiber, ball milling in a ball mill, adding polyethylene glycol and polyethylene glycol, stirring, adding modified carbon nanotube, stirring, extruding in a double screw extruder, and pressing to obtain the aluminum-base composite material. The composite material prepared by the invention has the characteristics of light weight and excellent mechanical property, and the preparation method is simple and feasible and is suitable for industrial production.)

一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法。

背景技术

复合材料是指由两相或两相以上材料复合在一起而形成的材料。现代广泛应用的复合材料多由各种高性能纤维作为增强相，与作为基体相的树脂复合而成。铝基复合材料具有高的比强度、比模量、良好的导电导热和高温性能，已经在航空航天、汽车和微电子等领域获得应用并引起越来越多的关注。碳纳米管具有独特的结构和优异的物理、化学性能(其杨氏模量可达1-1.8TPa，抗拉强度可达150GPa，密度可达1.2～1.8g/cm³，热膨胀系数几乎为零，同时还具有良好的韧性和塑性变形能力)，其综合性能远优于目前存在的颗粒或纤维，是复合材料的一种理想增强体。然而，碳管比表面积大、表面能高，它们之间常以范德华力吸附在一起(相互接触的碳纳米管之间的范德瓦尔斯结合能约为500eV/μm)形成团聚体；此外，碳管表面惰性大，缺少活性基团，在各种溶剂中的溶解度都很低，这就对其在基体中的分散以及它们与金属间的界面结合带来很大困难。

申请号201610928860.0，名称为一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，该方法首先采用低温球磨获得碳管均匀分散的复合粉末，然后经过装包套、除气和热等静压将粉末固结制得复合坯料，再经挤压、锻压等常规热加工方法形成棒材、型材或锻件产品，最后进行热处理。该方法能够使碳纳米管在铝合金基体中获得良好的分散性、其增强体损伤程度小，形成的复合材料微观组织均匀、界面结合良好。该材料同时具有高的强度和塑性，有望应用于航空航天、汽车等对轻质高强结构材料有强烈需求的领域。但该复合材料上碳纳米管容易脱落，因此与铝基的结合力有待提高。

申请号201310659972.7，名称为一种碳纳米管增强铝基复合材料，通过下述方法制备得到：1）将预分散的碳纳米管与粘结剂高速剪切混合后，使粘结剂均匀包覆在碳纳米管表面，再加入纯铝粉或铝合金粉高速剪切混合，使碳纳米管均匀分布在纯铝粉或铝合金粉的表面，得到第一复合粉体；2）将所得到的第一复合粉体进行球磨处理，得到第二复合粉体，3）再依次经烧结成型和热挤压成型工序，即得。本发明消除由于密度差异而导致分层的不利因素，使CNTs和铝粉均匀混合，并保持良好的烧结活性，增加二者之间的结合强度，获得良好界面结合。本发明能够利用基体的加工硬化、晶粒细化强化共同作用增强铝基体，使得复合材料的抗拉强度和耐磨性大幅度提高。但此种方法制备的复合材料成本高，不适合普及应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，制备方法简单，对设备要求低，所得复合材料力学性能优良，质地轻盈、力学性能优异。

一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤1，按重量份数计称取以下原料：纳米铝18-28份、纳米二氧化钛1-4份、碳纳米管20-28份、竹纤维1-8份、聚乙烯二醇24-43份、氧化铝45-60份、聚乙二醇40-50份、改性淀粉1-3份；

步骤2，将碳纳米管浸入改性淀粉中低温冷冻干燥后，投入球磨机中磨碎后，通过磁力溅射技术，依次在碳纳米管表面溅射上纳米二氧化钛、纳米铝，105-120℃下干燥得改性碳纳米管；

步骤3，将氧化铝和竹纤维混合投入球磨机中球磨，再加入聚乙烯二醇和聚乙二醇，搅拌均匀后，加入改性碳纳米管，继续搅拌后，投入双螺杆挤出机，除气后，在氮气气氛下压制成铝基复合材料。

作为改进的是，步骤1中改性淀粉由淀粉、壳聚糖和硫酸铜按照摩尔比为3-6：1：2-4混合而成。

作为改进的是，步骤1中碳纳米管的直径为10-20nm，长度为20-30μm。

作为改进的是，步骤2中球磨转速为100-120rpm，磨球材质为3-5mm的石英砂。

作为改进的是，步骤3中改性碳纳米管和氧化铝的摩尔比为1：3-7。

作为改进的是，步骤3中双螺杆挤出机的挤出条件为：一区温度100-105℃、二区温度120-130℃、三区温度120-125℃、四区温度110-120℃、五区温度120-130℃，螺杆转速为160-180 rpm。

有益效果

与现有技术相比，本发明利用磁力溅射技术在碳纳米管上检测了纳米铝和纳米二氧化钛，解决了以往通过压制或包覆形成的改性碳纳米管性能不稳定的问题，增强了碳纳米管与氧化铝的结合力。改性后的碳纳米管与竹纤维的协同作用，更是提高了复合材料的力学性能。

有益效果

本发明制备得到的复合材料具有质轻、力学性能优异的特点，适于作为生产自行车轮框的材料使用，且制备方法简单易行，适于工业生产。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1

一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤1，按重量份数计称取以下原料：纳米铝18份、纳米二氧化钛1份、碳纳米管20份、竹纤维1份、聚乙烯二醇24份、氧化铝45份、聚乙二醇40份、改性淀粉1份；所述改性淀粉由淀粉、壳聚糖和硫酸铜按照摩尔比为3：1：2混合而成；碳纳米管的直径为10nm，长度为20μm；

步骤2，将碳纳米管浸入改性淀粉中低温冷冻干燥后，投入球磨机中磨碎后，球磨转速为100rpm，磨球材质为3mm石英砂，通过磁力溅射技术，依次在碳纳米管表面溅射上纳米二氧化钛、纳米铝，105℃下干燥得改性碳纳米管；

步骤3，将氧化铝和竹纤维混合投入球磨机中球磨，再加入聚乙烯二醇和聚乙二醇，搅拌均匀后，加入改性碳纳米管，继续搅拌后，投入双螺杆挤出机，除气后，在氮气气氛下压制成铝基复合材料；双螺杆挤出机的挤出条件为：一区温度100℃、二区温度120℃、三区温度120℃、四区温度110℃、五区温度120℃，螺杆转速为160rpm；改性碳纳米管和氧化铝的摩尔比为1：3。

对所得复合材料进行测试，密度1.48g/cm³，拉伸强度186GPa，比强度1.24´10⁷cm，比模量1.85´10⁹cm。

实施例2

一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤1，按重量份数计称取以下原料：纳米铝20份、纳米二氧化钛2份、碳纳米管24份、竹纤维3份、聚乙烯二醇35份、氧化铝48份、聚乙二醇48份、改性淀粉2份；所述改性淀粉由淀粉、壳聚糖和硫酸铜按照摩尔比为5：1：2混合而成；所述碳纳米管的直径为14nm，长度为22μm

步骤2，将碳纳米管浸入改性淀粉中低温冷冻干燥后，投入球磨机中磨碎后，球磨转速为110rpm，磨球材质为4mm石英砂，通过磁力溅射技术，依次在碳纳米管表面溅射上纳米二氧化钛、纳米铝，110℃下干燥得改性碳纳米管；

步骤3，将氧化铝和竹纤维混合投入球磨机中球磨，再加入聚乙烯二醇和聚乙二醇，搅拌均匀后，加入改性碳纳米管，继续搅拌后，投入双螺杆挤出机，除气后，在氮气气氛下压制成铝基复合材料；所述改性碳纳米管和氧化铝的摩尔比为1：6；双螺杆挤出机的挤出条件为：一区温度102℃、二区温度126℃、三区温度122℃、四区温度14℃、五区温度127℃，螺杆转速为168rpm。

对所得复合材料进行测试，密度1.28g/cm³，拉伸强度166GPa，比强度1.28´10⁷cm，比模量1.95´10⁹cm。

实施例3

一种制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤1，按重量份数计称取以下原料：纳米铝28份、纳米二氧化钛4份、碳纳米管28份、竹纤维8份、聚乙烯二醇43份、氧化铝60份、聚乙二醇50份、改性淀粉3份；改性淀粉由淀粉、壳聚糖和硫酸铜按照摩尔比为6：1：4；碳纳米管的直径为20nm，长度为30μm

步骤2，将碳纳米管浸入改性淀粉中低温冷冻干燥后，投入球磨机中磨碎后，球磨转速为120rpm，磨球材质为5mm石英砂，通过磁力溅射技术，依次在碳纳米管表面溅射上纳米二氧化钛、纳米铝， 120℃下干燥得改性碳纳米管；

步骤3，将氧化铝和竹纤维混合投入球磨机中球磨，再加入聚乙烯二醇和聚乙二醇，搅拌均匀后，加入改性碳纳米管，继续搅拌后，投入双螺杆挤出机，除气后，在氮气气氛下压制成铝基复合材料；改性碳纳米管和氧化铝的摩尔比为1：7；双螺杆挤出机的挤出条件为：一区温度105℃、二区温度130℃、三区温度125℃、四区温度120℃、五区温度130℃，螺杆转速为180 rpm。

对所得复合材料进行测试，密度1.68g/cm³，拉伸强度178GPa，比强度1.14´10⁷cm，比模量1.68´10⁹cm。

对比例1

除步骤2将碳纳米管浸入改性淀粉中低温冷冻干燥后，同纳米二氧化钛和纳米率一同投入球磨机中磨碎后，球磨转速为120rpm，磨球材质为5mm石英砂，120℃下干燥得改性碳纳米管，其余同实施例2。

对所得复合材料进行测试，密度1.38g/cm³，拉伸强度128GPa，比强度0.85´10⁷cm，比模量0.98´10⁹cm。

本发明提供的复合材料具有较低的密度、较高的拉伸强度和比强度，质轻而耐用。将改性淀粉和碳纳米管混合处理，填充了碳纳米管网格中的缺陷，再通过磁力溅射技术在多位点附着纳米二氧化钛和纳米率的形成了复杂的空间结构，降低了复合材料的密度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。