一種超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，具體地，本發(fā)明涉及一種超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管(CNTs)具有獨特的管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等性能，是制備金屬基復(fù)合材料的理想增強材料之一。鋁基材料具有密度小、耐腐蝕和加工性能好等優(yōu)點，己廣泛用于功能和結(jié)構(gòu)材料中。目前，各國學(xué)者致力于研究提高傳統(tǒng)鋁基材料的力學(xué)性能，其中，CNTs增強鋁基復(fù)合材料以優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景和研究意義。
[0003]碳納米管已被廣泛的應(yīng)用于金屬復(fù)合材料的制備中，然而制備碳納米管金屬復(fù)合材料的技術(shù)仍然面臨很大的困難。由于碳納米管具有很大的比表面積和比表面能，其自身很容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，碳納米管很難在金屬基體中均勻分散。因此，能否將碳納米管均勻分散在金屬中是制備碳納米管金屬復(fù)合材料的關(guān)鍵。為解決這一問題，現(xiàn)有技術(shù)中，有將碳納米管與金屬顆粒共混后采用機(jī)械球磨的方法實現(xiàn)碳納米管與金屬基體的混合，從而獲得碳納米管金屬粉末的混合體。然而，碳納米管通過機(jī)械球磨后，形態(tài)遭受到了嚴(yán)重破壞，從而在復(fù)合材料中以石墨片的形態(tài)存在，使得通過該方法制備的復(fù)合材料中碳納米管的含量低，從而該方法制備碳納米管金屬復(fù)合材料的產(chǎn)出率低。
[0004]CN 102133634A公開了一種碳納米管金屬粉末混合體的制備方法，其包括以下步驟:提供碳納米管，并將該碳納米管分散到一溶劑中，得到均勻的懸濁液；提供金屬粉末，并將金屬粉末加入所述懸濁液中，攪拌后靜置，碳納米管與所述金屬粉末沉淀并形成均勻的碳納米管金屬混合體系，該碳納米管金屬混合體系與溶劑形成兩相分離界面；除去溶劑，獲得碳納米管金屬粉末的混合體。本發(fā)明還進(jìn)一步提供采用所述碳納米管金屬粉末混合體的制備方法制備碳納米管金屬復(fù)合材料的方法。但是該發(fā)明采用的是修飾后的碳納米管，碳納米管表面的羥基、羧基等基團(tuán)與金屬的界面結(jié)合力仍然很弱，碳納米管并不能均勻的分散在金屬粉末中，導(dǎo)致制備得到的碳納米管金屬粉末的性能較低，無法滿足實際需要。
[0005]由于超聲波焊接方法價格低廉、工藝過程簡單，且可以制備近凈成形的復(fù)合材料，且在高壓和摩擦力的作用下可使碳納米管嵌入鋁基體中，因此，采用本方法制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料得到了廣泛應(yīng)用。
[0006]熊志林等人(熊志林，朱政強，程正明，胡琴，張義福，超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，上海交通大學(xué)學(xué)報，2010，44:45?48)研究了采用超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的方法。該方法通過對試樣表面進(jìn)行滴加乙醇處理增強碳納米管與鋁的結(jié)合強度，但是效果并不十分顯著。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)中，也有通過對碳納米管進(jìn)行修飾，使其表面帶有酸性基團(tuán)等，以期增強其余鋁基體的界面結(jié)合作用，但是效果均不是特別的理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的之一在于提供一種超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的方法，所述方法制備得到的碳納米管與鋁基的界面結(jié)合力強，剝離強度高。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0010]一種超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的方法，所述方法包括如下步驟:
[0011](1)利用剪切機(jī)截取160mmX 18mmX0.3mm的招合金，將碳納米管平鋪于一片招表面，在碳納米管表面上再鋪一片鋁，得到焊接試樣；
[0012](2)采用超聲波金屬焊接機(jī)進(jìn)行焊接，得到碳納米管增強鋁基復(fù)合材料；焊接時間為150?180ms，焊接壓力為10?20MPa ；
[0013]所述焊接試樣滴加表面活性劑進(jìn)行處理。
[0014]表面活性劑是指能顯著降低液體表面張力或液液界面張力的物質(zhì)。它們的分子都是由極性的親水基和非極性的憎水基兩部分組成。表面活性劑分子的一端為非極親油的疏水基，有時也稱為親油基；分子的另一端為極性親水的親水基，有時也稱為疏油基或形象地稱為親水頭。兩類結(jié)構(gòu)與性能截然相反的分子碎片或基團(tuán)分處于同一分子的兩端并以化學(xué)鍵相連接，形成了一種不對稱的、極性的結(jié)構(gòu)，因而賦予了該類特殊分子既親水、又親油，便又不是整體親水或親油的特性。根據(jù)表面活性部分所帶電荷的不同將表面活性劑分為陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性型。表面活性劑具有潤濕、起泡、增溶、消泡等特性所述表面活性劑選自脂肪醇聚環(huán)氧乙烷醚、烷基酚聚環(huán)氧乙烷醚、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基二醇酰胺或甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸鈉中的任意一種或者至少兩種的混合物。所述混合物例如甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸鈉和十二烷基二醇酰胺的混合物，十二烷基苯磺酸鈉和烷基酚聚環(huán)氧乙烷醚的混合物，脂肪醇聚環(huán)氧乙烷醚和甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸鈉的混合物，十二烷基二醇酰胺、十二烷基苯磺酸鈉和烷基酚聚環(huán)氧乙烷醚的混合物，脂肪醇聚環(huán)氧乙烷醚、甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸鈉、十二烷基二醇酰胺、十二烷基苯磺酸鈉和烷基酚聚環(huán)氧乙烷醚的混合物。滴加表面活性劑之后，降低了表面張力，提高了碳納米管與鋁基體的界面結(jié)合作用，提高了該復(fù)合材料的最大剝離力和硬度。
[0015]所述碳納米管選自單壁碳納米管、多壁碳納米管或雙壁碳納米管中的任意一種或者至少兩種的混合物，所述混合物例如雙壁碳納米管和多壁碳納米管的混合物，多壁碳納米管和單壁碳納米管的混合物，雙壁碳納米管和單壁碳納米管的混合物，雙壁碳納米管、多壁碳納米管和單壁碳納米管的混合物，優(yōu)選多壁碳納米管。
[0016]所述碳納米管可以通過電弧放電法、激光蒸發(fā)法或者化學(xué)氣相沉積法制備獲得。碳納米管的長度越大，其比表面積越大，從而碳納米管之間容易纏繞團(tuán)聚，從而不利于將碳納米管均勻分散于溶劑中形成懸濁液。因此盡量采用非超長的碳納米管較合適。
[0017]由于該方法不需要對碳納米管進(jìn)行任何物理或化學(xué)處理，碳納米管具有完整的形態(tài)，碳納米管已完整的形態(tài)均勻分散于碳納米管金屬復(fù)合材料中，該方法具有較高的產(chǎn)出率。該方法通過簡單的操作就可以使得碳納米管與金屬顆粒均勻的混合。
[0018]所述多壁碳納米管的純度大于96%，例如96.5%、97.5%、97.9%、98.3%。
[0019]所述鋁合金按質(zhì)量百分比組成為:0.25?0.35% Cu，0.55?0.75% Si，0.35?0.60% Fe，0.45 ?0.6% Mg，0.12 ?0.2% Ζη，0.20 ?0.35% Ti，余量為 Α1。
[0020]所述焊接時間為50 ?180ms，例如 60ms、70ms、80ms、90ms、110ms、130ms、150ms、170ms，焊接時間低于50ms，最大剝離力下降，焊接時間高于180ms，試樣表面經(jīng)過長時間摩擦繼而產(chǎn)生較高的熱量，使得試樣變形量過大，最大剝離力反而下降。
[0021]所述焊接壓力為10 ?20MPa，例如 llMPa、12MPa、13MPa、14MPa、15MPa、16MPa、17MPa、18MPa、19MPa。焊接壓力低于lOMPa，造成最大剝離力下降，焊接壓力高于20MPa，將變材料為屈服，而不是摩擦，最大剝離力下降。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有