本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)碳納米管在金屬基體粉末中快速均勻分散的方法，是制備微觀組織均勻、性能優(yōu)良的碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的基礎(chǔ)，屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱和高溫性能，已經(jīng)在航空航天、汽車和微電子等領(lǐng)域獲得應(yīng)用并引起越來越多的關(guān)注。碳納米管具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理、化學(xué)性能(其楊氏模量可達(dá)1～1.8TPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)150GPa，密度可達(dá)1.2～1.8g/cm³，熱膨脹系數(shù)幾乎為零，同時(shí)還具有良好的韌性和塑性變形能力)，其綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于目前存在的顆?；蚶w維，是復(fù)合材料的一種理想增強(qiáng)體。然而，由于碳納米管比表面積大、表面能高，它們之間常以范德華力吸附在一起(相互接觸的碳納米管之間的范德瓦爾斯結(jié)合能約為500eV/μm)形成團(tuán)聚體，尤其催化裂解法制備的碳納米管更是相互卷曲、纏繞；此外，碳納米管表面惰性大，缺少活性基團(tuán)，在各種溶劑中的溶解度都很低，這就對(duì)其在基體中的分散帶來極大困難。針對(duì)該問題，各國研究者在過去的十幾年間開發(fā)了有機(jī)溶劑和超聲分散、高能球磨、原位合成、分子尺度混合、納米尺度分散等方法，這些技術(shù)都在一定程度上取得了成功，不過也都存在相應(yīng)的局限性。例如，在有機(jī)溶劑中施加高能超聲，單就碳納米管的分散來說具有良好的效果，但加入金屬粉末后要使兩者混合均勻則存在問題，同時(shí)還要考慮復(fù)合粉末是否易于干燥；高能球磨操作相對(duì)簡單，能夠批量處理，是目前使用最為廣泛的方法之一，但球磨時(shí)間長，對(duì)碳納米管的損傷程度大；原位合成法會(huì)在復(fù)合粉末中引入Fe、Co、Ni等金屬催化劑顆粒，且無法去除，同時(shí)碳納米管本身的結(jié)晶程度和性能無法保證達(dá)到最佳等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，特別是高能球磨過程中處理時(shí)間長，碳納米管損傷嚴(yán)重等問題，提供了一種碳納米管快速短化及在金屬粉末中均勻分散的方法，該方法同時(shí)還能減少粉體污染和氧化的方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

該種碳納米管快速短化及在金屬粉末中均勻分散的方法，其特征在于：該方法是將長度為2～50μm的碳納米管和粒徑為10～120μm的金屬粉末置于攪拌式球磨機(jī)中，通入低溫液態(tài)介質(zhì)，經(jīng)濕法球磨，球磨過程中，碳納米管、金屬粉末和磨球全部浸入低溫液態(tài)介質(zhì)中，得到碳納米管平均長度在200～1000納米、且在金屬粉末中均勻分散的碳納米管/金屬復(fù)合粉末，其中：

碳納米管占復(fù)合粉末總質(zhì)量的0.1％～10％；

球磨的工藝參數(shù)為：球磨轉(zhuǎn)速為80～500r/min，球磨時(shí)間為0.5～10h，球料質(zhì)量比為在1:5～50，磨球材質(zhì)為鋼或陶瓷，直徑為3～15mm；

低溫液態(tài)介質(zhì)的性質(zhì)為：在正常大氣壓下的溫度低于零下100℃、呈惰性、不可燃、無毒害，在常溫常壓下能夠迅速揮發(fā)為氣體。

本發(fā)明與現(xiàn)有碳納米管短化及在金屬粉末中的分散方法相比，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)操作簡單、能夠批量處理且周期短

碳納米管直徑一般在幾十納米，長度在數(shù)微米，其長徑比很大，是典型的一維物質(zhì)。催化裂解法由于產(chǎn)量大、成本低，目前使用的碳納米管大多均采用該法制備，但是這種碳納米管往往卷曲纏繞，從而給分散帶來更大的障礙。要使碳納米管在金屬粉末中均勻分散，必須首先將纏繞體打開，這也就涉及到碳納米管長度變短。本發(fā)明將碳納米管短化和在金屬粉末中的分散融合為同一過程，利用低溫下碳納米管柔性降低，在剪切力作用下更易發(fā)生斷裂的特點(diǎn)，快速實(shí)現(xiàn)碳納米管短化；另一方面借助強(qiáng)烈機(jī)械攪拌作用，以及液體沸騰提供的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)碳納米管在金屬粉末中均勻分散，即碳納米管短化和分散同時(shí)進(jìn)行。與預(yù)先將碳納米管短化再將其分散至金屬粉末中相比，縮短了工藝流程，且操作簡單，此外預(yù)先短化通常是利用化學(xué)法，要保證有效且一致的短化效果，其單次處理量很小(克量級(jí))，而本發(fā)明是其數(shù)十倍。與傳統(tǒng)高能球磨相比，本發(fā)明處理時(shí)間短，而后者通常需要15～48h；

(2)碳納米管損傷較小，分散更加均勻

傳統(tǒng)高能球磨過程中，長時(shí)間的強(qiáng)烈碰撞雖然短化了碳納米管，但也給管壁造成了嚴(yán)重?fù)p傷，顯然進(jìn)一步降低了碳納米管結(jié)構(gòu)完整性。而本發(fā)明中，一方面其處理時(shí)間短，另一方面屬于濕法球磨，混合過程相對(duì)柔和，從而減少了碰撞引起的管壁缺陷。低溫下，金屬粉末冷焊減弱，易于朝著片狀化方向發(fā)展，增大了與碳納米管的接觸面積，因此分散性進(jìn)一步提高。

(3)粉末純凈度高，過程污染小

本發(fā)明中的球磨在惰性低溫介質(zhì)中進(jìn)行，基本不與空氣接觸，因此粉末氧化的可能性很小。與傳統(tǒng)低溫球磨相比，也不需要添加抑制冷焊合的過程控制劑(如硬脂酸等)，進(jìn)一步減少了外來添加物的污染。

(4)金屬粉末晶粒細(xì)小，性能優(yōu)異

本發(fā)明中金屬粉末在極低溫下經(jīng)歷強(qiáng)烈塑性變形，產(chǎn)生大量位錯(cuò)，位錯(cuò)纏結(jié)形成位錯(cuò)胞和亞結(jié)構(gòu)，使得晶粒顯著細(xì)化，并可快速形成納米晶，從而得到納米復(fù)合粉末。由此制得的碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，受細(xì)晶強(qiáng)化作用，其性能可進(jìn)一步提升。

附圖說明

圖1(a)為實(shí)施例中鋁合金粉末在球磨前的掃描電鏡照片，圖1(b)為實(shí)施例中原始態(tài)碳納米管的SEM照片

圖2為實(shí)施例中攪拌式球磨機(jī)的示意圖

圖3(a)和(b)為實(shí)施例中球磨后碳納米管/鋁合金復(fù)合粉末的SEM照片

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作詳細(xì)闡述。

實(shí)施例

采用2009鋁合金粉末，其成分為3.0wt.％Cu、1.5wt.％Mg、Al余量，平均粒徑為30μm；多壁碳納米管的名義直徑為40～60nm，長度為5～15μm。鋁合金粉末和多壁碳納米管的形貌分別如附圖1(a)和(b)所示。將1kg鋁合金粉末和多壁碳納米管的混合粉末及40Kg磨球裝入攪拌式球磨機(jī)中，磨球材質(zhì)為ZrO₂，碳納米管占混合粉末總質(zhì)量的1.0％，磨球直徑分別為3mm、5mm、8mm，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比為2:1:1，附圖2為一種攪拌式球磨機(jī)示意圖。

向球磨罐中通入液氮，當(dāng)磨球和混合粉末全部浸入液氮中后，開始球磨，轉(zhuǎn)速為180r/min，球磨時(shí)間為2h。球磨過程中注意觀察液氮量，使其始終能夠淹沒磨球和混合粉末，否則，先暫停球磨并補(bǔ)充液氮。球磨結(jié)束后，將粉末漿料收集于不銹鋼容器內(nèi)，靜置3h，等待液氮揮發(fā)，當(dāng)粉末干燥后，將其裝入包裝袋內(nèi)并抽真空密封。附圖3(a)和(b)為經(jīng)球磨后的粉末形貌，可以看到，碳納米管的長度在0.1～1.5μm范圍，平均長度約500nm，相比原始態(tài)碳納米管明顯縮短，同時(shí)其在粉末表面基本呈單根分散，無團(tuán)聚現(xiàn)象。