阅读说明：本技术 原位生成氧化铝协同碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法 (Preparation method of in-situ generated aluminum oxide and carbon nanotube reinforced aluminum matrix composite ) 是由 赵乃勤 单永超 何春年 师春生 李群英 蒲博闻 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种原位生成氧化铝协同碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法,包括以下几步过程：配制混合粉末:将碳纳米管分散在酒精中,制得碳纳米管溶液,取硼酸在酒精中溶解后加入碳纳米管溶液,混合溶液热干后加入球形铝粉制成混合粉末,碳纳米管：硼酸：铝粉质量比为(0.004-0.006):(0.10-0.14):1；对混合粉末进行球磨处理；冷压烧结成型。(The invention relates to a preparation method of an aluminum-based composite material reinforced by aluminum oxide generated in situ and carbon nano tubes, which comprises the following steps: preparing mixed powder, namely dispersing carbon nano tubes in alcohol to prepare a carbon nano tube solution, dissolving boric acid in the alcohol, adding the carbon nano tube solution, heating and drying the mixed solution, and adding spherical aluminum powder to prepare the mixed powder, wherein the carbon nano tubes: boric acid: the mass ratio of the aluminum powder is (0.004-0.006): 0.10-0.14): 1; performing ball milling treatment on the mixed powder; and (5) cold pressing, sintering and forming.)

原位生成氧化铝协同碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及到一种利用粉末冶金工艺制备原位生成氧化铝协同碳纳米管增强的铝基复合材料的方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术

铝元素在地壳元素总储量中排第三，是含量最多的金属元素，在我们生活的地球上，相较于金银稀土等不可再生资源，铝资源丰富获取较为容易。铝是重要的轻金属，具有密度低、易加工、耐腐蚀、导热导电及可回收性强等优良性能，被广泛用于航空航天、交通运输、机械制造、建筑、包装等工业领域，是现代高技术产业发展的关键支撑材料。对于金属材料，强度和塑性一直是此消彼长，相较于钢铁纯，铝延展性极佳但硬度和强度较低，这一属性约束是限制其的广泛使用的原因之一。为解决这一问题，加入增强体制备成铝基复合材料来提高铝基体的力学性能是一种行之有效的办法。铝基复合材料具有许多优异性能，如密度小、高比强度和比刚度、高弹性模量、高抗疲劳性能和蠕变抗力、高耐磨性、高阻尼减振能力、低热膨胀率和成本低等。

碳纳米管自1991年被首次报道以来，就受到了广泛持续地关注和研究。单层碳纳米管由以sp²方式杂化的碳原子组成六角型网络的空间拓扑结构，具有高达1TPa的极高弹性模量和800GPa的抗拉强度，是一种可用于金属基复合材料的理想增强体。此外，陶瓷颗粒也是一种可用于增强铝基复合材料的增强相，陶瓷颗粒增强的铝基复合材料具有成本低、高模量、耐磨性好、热膨胀系数小等优点。陶瓷相中的氧化铝，化学式Al₂O₃，是一种高硬度的化合物，熔点为2054℃，沸点为2980℃，在高温下可电离的离子晶体。

直接向铝基体中加入碳纳米管和氧化铝作为增强体会带来增强体团聚、界面结合差等造成增强作用有限。我们利用粉末冶金提出了一种以原位生成氧化铝协同碳纳米管增强铝基复合材料的方法，使用硼酸原位生成了氧化铝增强体，协同外加的碳纳米管提高铝基体的力学性能。本发明提供了一种利用粉末冶金工艺通过原位生成氧化铝协同碳纳米管增强的铝基复合材料的工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过原位生成氧化铝协同碳纳米管复合增强铝基复合材料的方法。该方法能够在一定程度上克服外加增强体团聚、增强体与铝基体界面结合强度低的缺点。技术方案如下：

一种原位生成氧化铝协同碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，包括以下几步过程：

(1)配制混合粉末

将碳纳米管分散在酒精中，制得碳纳米管溶液，取硼酸在酒精中溶解后加入碳纳米管溶液，混合溶液热干后加入球形铝粉制成混合粉末，碳纳米管：硼酸：铝粉质量比为(0.004-0.006):(0.10-0.14):1。

(2)对混合粉末进行球磨处理

在氩气保护下对混合粉末进行球磨；

(3)冷压烧结成型

球磨后的粉末放入模具中，在室温下冷压成型，冷压得到的块体材料在氩气保护下在管式炉中进行烧结，烧结温度：550～650℃。

步骤(2)中，球磨参数：球料比15:1至20:1，转速300转至500转，球磨时间2-3小时。

步骤(3)中，冷压成型参数：压力500～600MPa。

反应机理：在高温条件下，铝基体中的铝原子扩散并与硼酸反应形成颗粒状与短晶须状的氧化铝。氧化铝的形态与球磨能量及硼酸加入量有关，当球磨能量低且硼酸足够时可使得氧化铝沿特定方向生长。

反应方程式：2H₃BO₃+3Al→Al₂O₃+AlB₂+3H₂O

附图说明

图1为本发明实施例1所制备复合材料的XRD图谱。

图2为本发明实施例1所制备复合材料的SEM图。

具体实施方式

下面结合实例进一步说明本发明，这些实例只用于说明本发明，并不限制本发明。

实施例1

称取0.06g羧基化碳纳米管，1.45g硼酸，12g铝粉，处理后将混合粉末置于250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以200转/分球磨2小时后再以400转/分球磨2小时，球料比都为20:1。取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具中在室温下进行真空热压烧结冷压成型，压力600MPa，得到的块体在氩气保护下在550℃烧结，得到复合材料样品(碳纳米管含量理论值约为0.5％，氧化铝含量理论值约为10％)。

实施例2

称取0.06g羧基化碳纳米管，1.45g硼酸，12g铝粉，处理后将混合粉末置于250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以400转/分球磨3小时，球料比为20:1。取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具中在室温下进行真空热压烧结冷压成型，压力600MPa，得到的块体在氩气保护下在550℃烧结，得到复合材料样品(碳纳米管含量理论值约为0.5％，氧化铝含量理论值约为10％)。

实施例3

称取0.06g羧基化碳纳米管，1.45g硼酸，12g铝粉，处理后将混合粉末置于250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以200转/分球磨2小时后再以400转/分球磨2小时，球料比都为20:1。取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具中在室温下进行真空热压烧结冷压成型，压力600MPa，得到的块体在氩气保护下在600℃烧结，得到复合材料样品(碳纳米管含量理论值约为0.5％，氧化铝含量理论值约为10％)。

实施例4

称取0.06g羧基化碳纳米管，1.45g硼酸，12g铝粉，处理后将混合粉末置于250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以400转/分球磨3小时，球料比为20:1。取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具中在室温下进行真空热压烧结冷压成型，压力600MPa，得到的块体在氩气保护下在600℃烧结，得到复合材料样品(碳纳米管含量理论值约为0.5％，氧化铝含量理论值约为10％)。

实施例5

称取0.06g羧基化碳纳米管，0.73g硼酸，12g铝粉，处理后将混合粉末置于250毫升的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以200转/分球磨2小时后再以400转/分球磨2小时，球料比都为20:1。取出球磨后的混合粉末，采用直径为45mm的模具中在室温下进行真空热压烧结冷压成型，压力600MPa，得到的块体在氩气保护下在550℃烧结，得到复合材料样品(碳纳米管含量理论值约为0.5％，氧化铝含量理论值约为5％)。