專利名稱：超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料，尤其涉及一種超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基 復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
碳納米管由于具有獨特的管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等性能，是制 備金屬基復(fù)合材料的理想增強體之一。在金屬基復(fù)合材料中加入碳納米管，能夠起到細(xì)化 復(fù)合材料晶粒組織的作用，可以提高抗拉強度和硬度。碳納米管金屬基復(fù)合材料的研究、開 發(fā)和應(yīng)用一直是國內(nèi)外高新技術(shù)的重要內(nèi)容之一。金屬基復(fù)合材料的制備方法多種多樣，主要包括固相法、液相法和原位合成法三 大類，每一類又包括若干不同工藝，如固相法有粉末冶金法和擴散結(jié)合法等，液相法有攪拌 鑄造法、含浸凝固法、擠壓鑄造法等；根據(jù)增強相的特點，不同類型的金屬基復(fù)合材料制備 方法選擇區(qū)別很大，例如，連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料通常采用固態(tài)擴散結(jié)合法、液態(tài)金 屬浸漬法等特殊工藝，而非連續(xù)纖維則可采用常規(guī)冶金方法。隨著CNTs/Al基復(fù)合材料研 究工作的開展，多種金屬基復(fù)合材料的制備方法被用于該新型復(fù)合材料的研究開發(fā)，但就 CNTs/Al這一納米相增強金屬基復(fù)合材料而言，在制備方法選擇上又存在其特殊性，主要需 考慮到以下幾個方面問題(1)需要實現(xiàn)CNTs在鋁基體中均勻分布；(2)應(yīng)避免CNTs-Al之間發(fā)生不良界面 反應(yīng)并實現(xiàn)良好界面結(jié)合；(3)不應(yīng)造成CNTs和鋁基體原有性能下降；(4)制備方法應(yīng)適 合于批量化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的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，可以制 得優(yōu)良的碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，可以改善碳納米管在材料中的分散以及碳納米管與 鋁合金基體界面之間結(jié)合的狀況。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，其特征是方法步驟為(1)對碳納米管提純碳納米管為多壁碳納米管，直徑為10 40nm，長度為0. 5 500μπι，采用濃度為65%硝酸和濃度98%的硫酸比例為3 1的混合液對碳納米管酸洗 8h，使碳納米管中的雜質(zhì)被氧化，從而得到純碳納米管；(2)剪切處理將碳納米管加入乙醇溶液中進行超聲剪切，在超聲處理過程中，產(chǎn) 生大量微小氣泡的破裂而造成局部高溫，促進了酸對碳納米管的氧化剪切作用，然后利用 行星式球磨機以800r/min的運轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生的離心力，摩擦力以及管筒自轉(zhuǎn)與底座公轉(zhuǎn)引 起的科氏慣性力等使剪切處理后的碳納米管能更好的分散開來，球磨50分鐘后對碳納米 管進行酸洗、烘干；(3)表面預(yù)處理鋁合金優(yōu)選AA6061，利用剪切機把鋁片切成 160mmX 18mmX0. 3mm的規(guī)格，在焊接前，先把鋁合金表面用砂紙打磨，或者把表面弄成跟焊
3頭一樣的紋理，或者在表面滴加酒精；(4)超聲波焊接法超聲波金屬焊接機工作頻率為20Khz，振幅為35 μ m，焊接壓力 為12. 25 21Mpa，焊接時間為40 120ms，焊頭尺寸為8mmX8mm。本發(fā)明的優(yōu)點是很好地解決了碳納米管在鋁合金中的分散問題，由于超聲波焊 接具有低溫，時間短的優(yōu)點，碳納米管與鋁合金基體之間不會發(fā)生界面反應(yīng)，生成脆性界面 物而降低復(fù)合材料的強度。反之，碳納米管的嵌入對鋁基復(fù)合材料的剝離強度，抗剪強度， 硬度等性能有顯著的提高。有效地增強了鋁基復(fù)合材料的綜合性能。


圖1為本發(fā)明在12. 25Mpa時力學(xué)性能與焊接參數(shù)關(guān)系對比圖。圖2為本發(fā)明在17. 5Mpa時力學(xué)性能與焊接參數(shù)關(guān)系對比圖。圖3為本發(fā)明在21Mpa時力學(xué)性能與焊接參數(shù)關(guān)系對比圖。圖4為本發(fā)明不同表面處理狀態(tài)對接頭剪切強度的影響圖。圖5為本發(fā)明在焊接壓力17. 5MPa下焊接時間對接頭剪切強度的影響圖。圖6為本發(fā)明在焊接時間120ms下焊接壓力對接頭剪切強度的影響圖。圖7為本發(fā)明純化后MWNTs的TEM照片。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，結(jié)合實施例詳細(xì)說明本發(fā)明，這些實 施例只用于說明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明。實施例1 步驟1 對碳納米管進行預(yù)處理，碳納米管為多壁碳納米管，直徑為10 40nm，長 度為0. 5 500 μ m。采用硝酸(濃度為65% )和硫酸(98% )比例為3 1的混合液對碳 納米管酸洗8h，使碳納米管中的雜質(zhì)被氧化，從而得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高的純碳納米管。再將碳 納米管加入乙醇溶液中進行超聲剪切，在超聲處理過程中，產(chǎn)生大量微小氣泡的破裂而造 成局部高溫，促進了酸對碳納米管的氧化剪切作用。然后利用行星式球磨機以800r/min的 運轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生的離心力，摩擦力以及管筒自轉(zhuǎn)與底座公轉(zhuǎn)引起的科氏慣性力等使剪切處理 后的碳納米管能更好的分散開來，球磨50分鐘后對碳納米管進行酸洗、烘干以備后用。步驟2 鋁合金為AA6061，在焊接前，先把鋁合金表面用粗砂紙打磨，然后用毛筆 粘少許碳納米管粉末均勻鋪在鋁合金下薄片上，再用細(xì)砂紙在鋪有碳納米管的鋁合金下薄 片上打磨，使得碳納米管比較均勻的分散在鋁合金薄片上。步驟3 用尺寸一致的鋁合金上薄片與步驟2中得到的鋪有碳納米管的鋁合金 下薄片貼合在一起，進行超聲波焊接。其中超聲波金屬焊接機工作頻率為20Khz，振幅為 35 μ m，焊接壓力為12. 25Mpa，焊接時間為120ms，焊頭尺寸為8mmX8mm。即可制得碳納米管 增強鋁基復(fù)合材料。實施例2 步驟1 對碳納米管進行預(yù)處理，碳納米管為多壁碳納米管，直徑為10 40nm，長 度為0. 5 500 μ m。采用硝酸(濃度為65% )和硫酸(98% )比例為3 1的混合液對碳 納米管酸洗8h，使碳納米管中的雜質(zhì)被氧化，從而得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高的純碳納米管。再將碳
4納米管加入乙醇溶液中進行超聲剪切，在超聲處理過程中，產(chǎn)生大量微小氣泡的破裂而造 成局部高溫，促進了酸對碳納米管的氧化剪切作用。然后利用行星式球磨機以800r/min的 運轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生的離心力，摩擦力以及管筒自轉(zhuǎn)與底座公轉(zhuǎn)引起的科氏慣性力等使剪切處理 后的碳納米管能更好的分散開來，球磨50分鐘后對碳納米管進行酸洗、烘干以備后用。步驟2 鋁合金為AA6061，在焊接前，用超聲波金屬焊接機的焊頭把鋁合金表面壓 制成與它一樣的紋理，這時焊接機的焊接時間應(yīng)為10ms，其它參數(shù)保持不變，然后用毛筆粘 少許碳納米管粉末均勻鋪在鋁合金下薄片上，再用細(xì)砂紙在鋪有碳納米管的鋁合金下薄片 上打磨，使得碳納米管比較均勻的分散在鋁合金薄片上。步驟3 用尺寸一致的鋁合金上薄片與步驟2中得到的鋪有碳納米管的鋁合金 下薄片貼合在一起，進行超聲波焊接。其中超聲波金屬焊接機工作頻率為20Khz，振幅為 35 μ m，焊接壓力為21Mpa，焊接時間為120ms，焊頭尺寸為8mmX8mm。即可制得碳納米管增 強鋁基復(fù)合材料。實施例3 步驟1 對碳納米管進行預(yù)處理，碳納米管為多壁碳納米管，直徑為10 40nm，長 度為0. 5 500 μ m。采用硝酸(濃度為65% )和硫酸(98% )比例為3 1的混合液對碳 納米管酸洗8h，使碳納米管中的雜質(zhì)被氧化，從而得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高的純碳納米管。再將碳 納米管加入乙醇溶液中進行超聲剪切，在超聲處理過程中，產(chǎn)生大量微小氣泡的破裂而造 成局部高溫，促進了酸對碳納米管的氧化剪切作用。然后利用行星式球磨機以800r/min的 運轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生的離心力，摩擦力以及管筒自轉(zhuǎn)與底座公轉(zhuǎn)引起的科氏慣性力等使剪切處理 后的碳納米管能更好的分散開來，球磨50分鐘后對碳納米管進行酸洗、烘干以備后用。步驟2 鋁合金為AA6061，在焊接前，用毛筆粘少許碳納米管粉末均勻鋪在鋁合金 下薄片上，然后在它們上面滴加酒精，之后用金屬滾針在鋪有碳納米管的鋁合金下薄片上 滾壓，使得碳納米管比較均勻的分散在鋁合金薄片上。最后，用吹風(fēng)機把它吹干，烘干。步驟3 用尺寸一致的鋁合金上薄片與步驟2中得到的鋪有碳納米管的鋁合金 下薄片貼合在一起，進行超聲波焊接。其中超聲波金屬焊接機工作頻率為20Khz，振幅為 35 μ m，焊接壓力為17. 5Mpa，焊接時間為120ms，焊頭尺寸為8mmX8mm。即可制得碳納米管 增強鋁基復(fù)合材料。實施例4繼續(xù)采用實施例1、2、3中的步驟1、2，對步驟3中的焊接時間改為100ms，其它都 不變。實施例5繼續(xù)采用實施例1、2、3中的步驟1、2，對步驟3中的焊接時間改為80ms，其它都不變。實施例6繼續(xù)采用實施例1、2、3中的步驟1、2，對步驟3中的焊接時間改為60ms，其它都不變。實施例7繼續(xù)采用實施例1、2、3中的步驟1、2，對步驟3中的焊接時間改為40ms，其它都不變。
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在這里，我們優(yōu)選實例3，因為從它的力學(xué)性能對比看選實例3來制備能得到最優(yōu) 的碳納米管增強鋁基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
一種超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，其特征是方法步驟為(1)對碳納米管提純碳納米管為多壁碳納米管，直徑為10～40nm，長度為0.5～500μm，采用濃度為65％硝酸和濃度98％的硫酸比例為3∶1的混合液對碳納米管酸洗8h，使碳納米管中的雜質(zhì)被氧化，從而得到純碳納米管；(2)剪切處理將碳納米管加入乙醇溶液中進行超聲剪切，在超聲處理過程中，產(chǎn)生大量微小氣泡的破裂而造成局部高溫，促進了酸對碳納米管的氧化剪切作用，然后利用行星式球磨機以800r/min的運轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生的離心力，摩擦力以及管筒自轉(zhuǎn)與底座公轉(zhuǎn)引起的科氏慣性力等使剪切處理后的碳納米管能更好的分散開來，球磨50分鐘后對碳納米管進行酸洗、烘干；(3)表面預(yù)處理鋁合金優(yōu)選AA6061，利用剪切機把鋁片切成160mm×18mm×0.3mm的規(guī)格，在焊接前，先把鋁合金表面用砂紙打磨，或者把表面弄成跟焊頭一樣的紋理，或者在表面滴加酒精；(4)超聲波焊接法超聲波金屬焊接機工作頻率為20Khz，振幅為35μm，焊接壓力為12.25～21Mpa，焊接時間為40～120ms，焊頭尺寸為8mm×8mm。
全文摘要
一種超聲波焊接制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，其特征是方法步驟為(1)對碳納米管提純；(2)剪切處理；(3)表面預(yù)處理；(4)超聲波焊接法。本發(fā)明的優(yōu)點是很好地解決了碳納米管在鋁合金中的分散問題，由于超聲波焊接具有低溫，時間短的優(yōu)點，碳納米管與鋁合金基體之間不會發(fā)生界面反應(yīng)，生成脆性界面物而降低復(fù)合材料的強度。反之，碳納米管的嵌入對鋁基復(fù)合材料的剝離強度，抗剪強度，硬度等性能有顯著的提高，有效地增強了鋁基復(fù)合材料的綜合性能。
文檔編號C22C47/02GK101914735SQ201010231580
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者朱政強, 熊志林 申請人:南昌大學(xué)