一种基于快速发泡法合成碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种应用快速粉末冶金发泡法制备碳纳米管增强泡沫铝复合材料的研究。

背景技术：

泡沫铝材料作为一种典型的结构功能一体化材料，由于具有轻质、比强度高以及吸能防震、阻尼、隔声隔热、电磁屏蔽等性能等优点，被广泛的应用于航空航天、汽车工业等领域。文献表明泡沫铝的性能与其孔结构具有很大的关联，包括孔径大小、孔分布均匀度以及孔隙率等。因此，为了拓宽泡沫铝的应用领域和范围，一些陶瓷相作为增强相引入到泡沫铝基体中改善孔结构以及提升其性能。尽管泡沫铝的性能取得了一定程度的提升，但是材料具有较大的脆性。因此，寻找一种合适的增强相在提高强度的同时能够保持较好的韧性是亟待解决的关键问题。碳纳米管由于具有诸如密度低、强度和模量高等优势被认为是制备高性能金属基复合材料的理想增强相。因此，将碳纳米管引入泡沫铝基体中有望实现泡沫铝应用的进一步扩大。但是，碳纳米管较大的长径比会导致严重的团聚现象，不利于在基体中的分散。因此，实现碳纳米管在基体中的有效分散并获得均匀孔结构是值得深入研究和讨论的课题。

目前关于碳纳米管增强泡沫铝基复合材料制备的文献和研究还是处于发展阶段。目前主要的制备方法有三种：一种是采用胶体工艺和传统粉末冶金结合的方法，第二种是采用熔体发泡的方法，第三种是采用尿素作为造孔剂的添加造孔剂方法。通过这些均能成功制备碳纳米管增强泡沫铝基复合材料，但是仍然存在一些问题。一方面，制备工艺比较复杂，效率较低；另一方面，外加碳管具有较强的团聚倾向，机械搅拌等方法不能实现很好的分散。因此，寻找一种效率高且碳纳米管能够均匀分散在基体中的方法是很有必要的。

快速粉末冶金发泡法是一种制备泡沫铝的新方法，其工艺流程简单且成本较低。但是，目前关于这种方法的研究较少，并且局限在一些传统增强相(比如sic等)和合金元素(si、mg等)对发泡过程的影响。将碳纳米管作为增强相引入到快速粉末冶金发泡法中有望实现碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的高效制备。

技术实现要素：

本发明提供一种高效的且分散均匀的合成碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法。为解决碳纳米管在基体中团聚的问题，本发明采用原位化学气相沉积的方法，即以均匀分散在铝粉表面的纳米级钴颗粒为催化剂，在600℃、以乙炔为碳源，进行原位催化生长。通过这种方法可以实现碳纳米管在铝粉表面的均匀分散，同时在最终的泡沫铝基体中也可以得到很好地保持。同时，通过通过控制不同含量碳管的加入，可以对泡沫铝的泡孔进行调控。技术方案如下：

一种基于快速发泡法合成碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，包括下列步骤：

1)催化剂前驱体制备:按照质量配比为18-22：1的配比称取纯铝粉和co(no3)2·6h2o，并融入适量无水乙醇溶液，先超声再在60-80℃的条件下水浴搅拌加热，经过2-4h后酒精蒸干挥发，后烘干得到前驱体粉末。

2)cnt/al复合粉末的制备：将10-30g前驱体粉末放入置于管式炉的刚玉方舟中，在氩气气氛下加热到250℃，然后在氢气气氛下加热到450℃，还原2-4h，之后在氩气条件下加热到600℃进行化学气相沉积，化学气相沉积的气氛条件为乙炔和氩气分为为10-30ml/min和150-250ml/min，得到cnt/al复合粉末；

3)发泡前驱体的制备：将前述得到的cnt/al复合粉末与7wt.％的si粉和0.3wt.％tih2粉末在三维混料机中混合0.5-3h得到均匀的混合粉末使用冷压机在450mpa压力下保压得到发泡前驱体；

4)泡沫铝的制备：将发泡前驱体在发泡炉中预热至740℃，然后将发泡前驱体置于模具中保温一段时间取出，对模具进行快速水冷，得到碳纳米管增强泡沫铝复合材料。

综上所述，本发明的核心是采用原位化学气相沉积合成碳纳米管，实现其在基体中均匀分散，采用快速发泡法实现复合材料的高效制备，并通过控制碳管的含量控制泡沫铝样品的孔形貌，达到不同孔结构泡沫铝样品的可控制备。与现有的技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过原位化学气相沉积法实现了碳纳米管在铝粉表面和泡沫铝基体中的均匀分散。

(2)本发明制备设备简单，工艺简便，采用快速发泡工艺，发泡前驱体和预热后的模具直接接触传热并且在限域空间内发泡，制备效率明显得到提高。

(3)本发明采用快速发泡，发泡时间短从而保证了碳管的结构完整性，使之在泡沫铝基体中仍然保持较高的质量。

(4)本发明通过碳纳米管的引入实现了不同孔结构的可控化制备。

附图说明

图1为均匀分散的碳纳米管在泡沫铝孔壁表面的sem图。

图2为化学气相沉积后复合粉末和发泡后复合泡沫铝样品的拉曼对比图。

图3为本发明所制备的不同碳管含量的所得到的不同孔结构的复合泡沫铝。

具体实施方式

本发明技术路线如下：

1)催化剂前驱体制备:将19.9g纯铝粉与0.4949g的co(no3)2·6h2o在150-250ml的无水乙醇溶液中超声30-60min，然后再60-80℃的条件下水浴搅拌加热，经过2-4h后酒精蒸干挥发，然后在烘箱中干燥8-16h得到前驱体粉末；

2)cnt/al复合粉末的制备：将10-30g前驱体粉末放入置于管式炉的刚玉方舟中，氩气(120-400ml/min)气氛下加热到250℃，然后在氢气(150-250ml/min)气氛下加热到450℃，还原2-4h，之后在氩气条件下加热到600℃进行化学气相沉积10-120min，气氛条件为乙炔和氩气(10-30ml/min、150-250ml/min)，得到cnt/al复合粉末；

3)发泡前驱体的制备：将前述得到的cnt/al复合粉末与7wt.％的si粉和0.3wt.％tih2粉末在三维混料机中混合0.5-3h得到均匀的混合粉末，然后称取24g粉末使用冷压机在450mpa压力下保压5min得到φ38×8mm³的圆柱体的发泡前驱体；

4)泡沫铝的制备：将φ38的圆柱体模具在发泡炉中预热20-60min至740℃，然后将发泡前驱体置于模具中保温90s取出，对模具进行快速水冷，得到近圆柱状的样品，此过程中实现了快速升温和冷却。之后根据需要冷却后的样品进行线切割以进行其他测试。

下面结合实施例对本发明进行说明。

实例1

将纯铝粉与7wt.％的si粉和0.3wt.％tih2粉末在三维混料机中混合2h得到均匀的混合粉末，然后称取24g粉末使用冷压机在450mpa压力下保压5min得到φ38×8mm³的圆柱体的发泡前驱体；将φ38的圆柱体模具在发泡炉中预热40min至740℃，然后将发泡前驱体置于模具中保温90s取出，对模具进行快速水冷，得到近圆柱状的样品，之后进行线切割得到20×20×20mm³的样品，如图3a和3e，平均孔径2.29mm，孔隙率78.1％。

实例2

将19.9g纯铝粉与0.4949g的co(no3)2·6h2o在150ml的无水乙醇溶液中超声30min，然后再60℃的条件下水浴搅拌加热，经过4h后酒精蒸干挥发，然后在烘箱中干燥8h得到前驱体粉末；将20g前驱体粉末放入置于管式炉的刚玉方舟中，氩气(300ml/min)气氛下加热到250℃，然后在氢气(250ml/min)气氛下加热到450℃，还原2.5h，之后在氩气条件下加热到600℃进行化学气相沉积10min，气氛条件为乙炔和氩气(20ml/min、240ml/min)，得到0.5wt.％cnt/al复合粉末；将前述得到的cnt/al复合粉末与7wt.％的si粉和0.3wt.％tih2粉末在三维混料机中混合1h得到均匀的混合粉末，然后称取24g粉末使用冷压机在450mpa压力下保压5min得到φ38×8mm³的圆柱体的发泡前驱体；将φ38的圆柱体模具在发泡炉中预热20min至740℃，然后将发泡前驱体置于模具中保温90s取出，对模具进行快速水冷，得到近圆柱状的样品，之后进行线切割得到20×20×20mm³的样品，如图3b和3f，平均孔径2.19mm，孔隙率76.5％。

实例3

将19.9g纯铝粉与0.4949g的co(no3)2·6h2o在200ml的无水乙醇溶液中超声40min，然后再70℃的条件下水浴搅拌加热，经过3h后酒精蒸干挥发，然后在烘箱中干燥10h得到前驱体粉末；将20g前驱体粉末放入置于管式炉的刚玉方舟中，氩气(250ml/min)气氛下加热到250℃，然后在氢气(200ml/min)气氛下加热到450℃，还原2h，之后在氩气条件下加热到600℃进行化学气相沉积20min，气氛条件为乙炔和氩气(20ml/min、240ml/min)，得到1.0wt.％cnt/al复合粉末；将前述得到的cnt/al复合粉末与7wt.％的si粉和0.3wt.％tih2粉末在三维混料机中混合0.5h得到均匀的混合粉末，然后称取24g粉末使用冷压机在450mpa压力下保压5min得到φ38×8mm³的圆柱体的发泡前驱体；将φ38的圆柱体模具在发泡炉中预热35min至740℃，然后将发泡前驱体置于模具中保温90s取出，对模具进行快速水冷，得到近圆柱状的样品，之后进行线切割得到20×20×20mm³的样品，如图3c和3g，平均孔径2.13mm，孔隙率75.9％。

实例4

将19.9g纯铝粉与0.4949g的co(no3)2·6h2o在175ml的无水乙醇溶液中超声60min，然后再80℃的条件下水浴搅拌加热，经过2h后酒精蒸干挥发，然后在烘箱中干燥12h得到前驱体粉末；将20g前驱体粉末放入置于管式炉的刚玉方舟中，氩气(280ml/min)气氛下加热到250℃，然后在氢气(180ml/min)气氛下加热到450℃，还原3h，之后在氩气条件下加热到600℃进行化学气相沉积30min，气氛条件为乙炔和氩气(20ml/min、240ml/min)，得到1.5wt.％cnt/al复合粉末；将前述得到的cnt/al复合粉末与7wt.％的si粉和0.3wt.％tih2粉末在三维混料机中混合3h得到均匀的混合粉末，然后称取24g粉末使用冷压机在450mpa压力下保压5min得到φ38×8mm³的圆柱体的发泡前驱体；将φ38的圆柱体模具在发泡炉中预热50min至740℃，然后将发泡前驱体置于模具中保温90s取出，对模具进行快速水冷，得到近圆柱状的样品，之后进行线切割得到20×20×20mm³的样品，如图3d和3h，平均孔径2.01mm，孔隙率74.2％。