高性能金属材料及其制备工艺

191 编辑：中冶有色技术网来源：成都理工大学

2024-12-10 16:23:48

权利要求

1.一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将十二烷基三乙氧基硅烷加入至水、乙醇和异丙醇的混合液，搅拌均匀得到分散液，将碳纳米管加入到硫酸和硝酸的混合液中进行一次反应，接着加入分散液进行二次反应，再加入碳化硅粉末进行三次反应，过滤干燥得到改性碳纳米管;

S2，惰性气体下，混合改性碳纳米管和纯铝粉，一次球磨得到改性碳纳米管/铝粉末，接着混合改性碳纳米管/铝粉末和铜粉，二次球磨得到改性碳纳米管/铝/铜粉末，接着混合改性碳纳米管/铝/铜粉末和镁合金AZ91D，三次球磨得到改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末;

S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行冷压、烧结、老化后得到高性能金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，步骤S1中，十二烷基三乙氧基硅烷、水、乙醇和异丙醇的体积比为1:(0.5-1):(0.5-1): (0.5-1)。

3.根据权利要求1所述的一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，步骤S1中，所述碳纳米管、硝酸、硫酸和碳化硅的用量之比为1g:(50-100) ml :(150-300)ml:(0.5-1)g。

4.根据权利要求1所述的一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，步骤S1中，所述一次反应的步骤为在80-120℃下搅拌反应4-8h，所述二次反应的步骤为在100-150℃下回流1-3h，所述三次反应的步骤为以150r/min-300r/min搅拌30-60min。

5.根据权利要求1所述的一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，所述惰性气体为氮气或氩气。

6.根据权利要求1所述的一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，所述改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末中改性碳纳米管、铝、铜、镁的质量之比为(1-3):1:(4-5):(1-3)。

7.根据权利要求1所述的一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，所述一次球磨的具体条件为：200-400r/min球磨3-6h;

所述二次球磨的具体条件为：200-400r/min球磨1-3h;

所述三次球磨的具体条件为：200-400r/min球磨0.5-1h。

8.根据权利要求1所述的一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，步骤S3中，所述冷压的具体条件为：

在2-6Mpa下冷压10-20min。

9.根据权利要求1所述的一种高性能金属材料的制备工艺，其特征在于，步骤S3中，所述烧结的具体条件为：在火花等离子烧结炉中于500-700℃下烧结0.5-2h;所述老化的具体条件为：在老化炉中于150-400℃下保温4-8h。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的高性能金属材料的制备工艺得到的金属材料。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及金属材料生产技术领域，尤其涉及一种高性能金属材料及其制备工艺。

背景技术

[0002]Al-Cu-Mg系铝合金具有密度低、强度高、铸造性能、焊接性能以及加工性能良好等综合性能，其退火态和时效态板材被广泛应用于航空工业及民用工业等领域，尤其是在航空工业中有着十分重要的地位，是航空工业主要结构材料之一。20世纪80年代以后，随着航空航天领域的迅猛发展，对飞机的要求越来越高，其服役环境更加恶劣，除了要求基本的高强度之外，还要满足高延展性的要求。

[0003]碳纳米管的比表面积最高可达1300 m2/g;杨氏模量接近1 TPa。在常见铝合金材料中适当加入少量的碳纳米管有助于增加铝合金的杨氏模量、抗拉强度等力学性能。

[0004]如CN108504915B公开了一种具有高强度Goss+P织构和优异抗疲劳性能的Al-Cu-Mg合金及工艺，所述合金包括Cu 4.2～4.5%，Mg 1.2～1.5%，Mn 0.3～0.8%，Ti 0.03～0.1%，Fe<0.06%，Si<0.06%;且Cu/Mg质量比为2.9～3.7。热加工方法是将Al Cu Mg铸锭进行均匀化、高温快速热轧、再结晶退火、固溶淬火、自然时效。

[0005]但是上述专利中碳纳米管易团聚，容易导致应力集中或者界面结合不良，导致铝合金的延展性太差，有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的碳纳米管易团聚导致合金的延展性较差而提出的一种高性能金属材料及其制备工艺。

[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本申请第一方面提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行冷压、烧结、老化后得到高性能金属材料。

[0008]优选的，步骤S1中，十二烷基三乙氧基硅烷、水、乙醇、异丙醇的体积比为1:(0.5-1):(0.5-1): (0.5-1)。

[0009]优选的，步骤S1中，所述碳纳米管、硝酸、硫酸和碳化硅的用量之比为1g:(50-100)ml:(150-300) ml:(0.5-1)g。

[0010]优选的，步骤S1中，所述一次反应的步骤为在80-120℃下搅拌反应4-8h，所述二次反应的步骤为在100-150℃下回流1-3h，所述三次反应的步骤为以150r/min-300r/min搅拌30-60min。

[0011]优选的，步骤S2中，所述惰性气体为氮气或氩气。

[0012]优选的，步骤S2中，所述改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末中改性碳纳米管、铝、铜、镁的质量之比为(1-3):1:(4-5):(1-3)。

[0013]优选的，步骤S2中，所述一次球磨的具体条件为：200-400r/min球磨3-6h;

所述二次球磨的具体条件为：200-400r/min球磨1-3h;

所述三次球磨的具体条件为：200-400r/min球磨0.5-1h。

[0014]优选的，步骤S3中，所述冷压的具体条件为：

在2-6Mpa下冷压10-20min。

[0015]优选的，步骤S3中，所述烧结的具体条件为：

在火花等离子烧结炉中于500-700℃下烧结0.5-2h。

[0016]优选的，步骤S3中，所述老化的具体条件为：

在老化炉中于150-400℃下保温4-8h。

[0017]本发明第二方面提供了一种如上述的高性能金属材料的制备工艺得到的金属材料。

[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明首先对碳纳米管进行氧化处理，通过硫酸和硝酸的作用使得碳纳米管被酸化，位于碳纳米管外表面的羟基和羧基开始出现并且有利于改性，并且去除了碳纳米管的相关杂质，也不会改变碳纳米管本身的结构。另一方面，通过十二烷基三乙氧基硅烷改性碳纳米管，碳纳米管表面的羟基与硅烷进行反应改性，而硅烷基团的水解和缩合，会产生交联网络结构，有利于金属与碳纳米管界面结合，并且十二烷会产生间位阻效应，使得范德华力减少，而碳纳米管团聚的原因是范德华力较大，利用十二烷的空间位阻效应使得范德华力减少，自然使得改性碳纳米管的分散性增强，更进一步的，再利用碳纳米管表面剩余的羟基和羧基产生的氢键作用使得碳纳米管与碳化硅产生吸附作用，达成预分散效果，并且硅烷产生的交联网络结构也加强了碳纳米管与碳化硅产生吸附作用，这主要是由于交联网状结构形成了更多的孔隙和通道，从而增加了碳纳米管表面的比表面积，更大的比表面积意味着材料能与更多的碳化硅接触，进而提高吸附作用，并且交联网状结构使得碳化硅与碳纳米管之间形成更强的相互作用力，从而提高了碳纳米管与碳化硅界面的稳定性，网格状的结构也对碳纳米管具有挤压作用，从而提高吸附的稳定性的机械性能。因此，十二烷的化学作用和吸附产生的物理化学作用协同使得碳纳米管的分散作用极大的提高，由此，使得合金的延展性增强，同时，碳纳米管通过晶粒细化、位错强化(热失配)、Orowan 循环和载荷传递增强了合金的强度。

附图说明

[0019]图1为本发明的制备方法流程图。

具体实施方式

[0020]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

[0021]为了便于理解本申请，下面将通过实施例对本申请进行更全面的描述。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

[0022]为了简便，本申请仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围;以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包括在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

[0023]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。需要说明的是，除非另有说明，本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合，“以上”、“以下”为包括本数，“一种或多种”中的“多种”的含义是两种以上。

[0024]实施例1

[0025]参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

S1，将十二烷基三乙氧基硅烷加入至水、乙醇和异丙醇的混合液，其中十二烷基三乙氧基硅烷、水、乙醇和异丙醇之间的体积比为1:0.5:0.5:0.5，搅拌均匀得到分散液，将1g碳纳米管加入到50ml硫酸和150ml硝酸的混合液中在100℃下搅拌反应6h，接着加入分散液在120℃下回流1h，再加入0.5g碳化硅粉末以200r/min搅拌30min使得碳纳米管吸附在碳化硅表面，过滤干燥得到改性碳纳米管;

S2，在氩气下混合改性碳纳米管和纯铝粉，300r/min球磨4h得到改性碳纳米管/铝粉末，接着混合改性碳纳米管/铝粉末和铜粉，300r/min球磨2h得到改性碳纳米管/铝/铜粉末，接着混合改性碳纳米管/铝/铜粉末和镁合金AZ91D，300r/min球磨0.5h得到改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末，并控制改性碳纳米管、铝、铜、镁的质量之比为1：1：4.5：1.8。

[0026]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0027]实施例2

[0028]参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

S1，将十二烷基三乙氧基硅烷加入至水、乙醇和异丙醇的混合液，其中十二烷基三乙氧基硅烷、水、乙醇和异丙醇的体积比为1:1:1:1，搅拌均匀得到分散液，将1g碳纳米管加入到100ml硫酸和300ml硝酸的混合液中在100℃下搅拌反应6h，接着加入分散液在120℃下回流1h，再加入0.5g碳化硅粉末以200r/min搅拌30min使得碳纳米管吸附在碳化硅表面，过滤干燥得到改性碳纳米管;

[0029]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0030]实施例3

[0031]参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

S1，将十二烷基三乙氧基硅烷加入至水、乙醇和异丙醇的混合液，其中十二烷基三乙氧基硅烷、水、乙醇和异丙醇的体积比为1:0.5:0.5:0.5，搅拌均匀得到分散液，将1g碳纳米管加入到50ml硫酸和150ml硝酸的混合液中在100℃下搅拌反应6h，接着加入分散液在100℃下回流3h，再加入0.5g碳化硅粉末以200r/min搅拌30min使得碳纳米管吸附在碳化硅表面，过滤干燥得到改性碳纳米管;

[0032]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0033]实施例4

[0034]参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

S1，将十二烷基三乙氧基硅烷加入至水、乙醇和异丙醇的混合液，其中十二烷基三乙氧基硅烷、水、乙醇和异丙醇的体积比为1:0.5:0.5:0.5，搅拌均匀得到分散液，将1g碳纳米管加入到50ml硫酸和150ml硝酸的混合液中在100℃下搅拌反应6h，接着加入分散液在120℃下回流1h，再加入0.5g碳化硅粉末以200r/min搅拌30min使得碳纳米管吸附在碳化硅表面，过滤干燥得到改性碳纳米管;

S2，在氩气下混合改性碳纳米管和纯铝粉，200r/min球磨4h得到改性碳纳米管/铝粉末，接着混合改性碳纳米管/铝粉末和铜粉，400r/min球磨2h得到改性碳纳米管/铝/铜粉末，接着混合改性碳纳米管/铝/铜粉末和镁合金AZ91D，300r/min球磨0.5h得到改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末，再加入0.5g碳化硅粉末以200r/min搅拌30min使得碳纳米管吸附在碳化硅表面，并控制改性碳纳米管、铝、铜、镁的质量之比为1：1：4.5：1.8。

[0035]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0036]实施例5

[0037]参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0038]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0039]实施例6

[0040]参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0041]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0042]实施例7

[0043]参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0044]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0045]实施例8

[0046]参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0047]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0048]对比例1

参照图1，本实施例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

S1，将十二烷基三乙氧基硅烷加入至水、乙醇和异丙醇的混合液，其中十二烷基三乙氧基硅烷、水、乙醇和异丙醇之间的体积比为1:0.5:0.5:0.5，搅拌均匀得到分散液，将1g碳纳米管加入到50ml硫酸和150ml硝酸的混合液中在100℃下搅拌反应6h，接着加入分散液在120℃下回流1h，过滤干燥得到改性碳纳米管

[0049]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0050]对比例2

本对比例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

S1，在氩气下混合铝粉末和铜粉，300r/min球磨2h得到铝/铜粉末，接着混合铝/铜粉末和镁合金AZ91D，300r/min球磨0.5h得到铝/铜/镁粉末，并控制铝、铜、镁的质量之比为1：4.5：1.8。

[0051]S3，将改性碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0052]对比例3

本对比例提供了一种高性能金属材料的制备工艺，包括以下步骤：

S1，在氩气下混合碳纳米管和纯铝粉，300r/min球磨4h得到碳纳米管/铝粉末，接着混合碳纳米管/铝粉末和铜粉，300r/min球磨2h得到碳纳米管/铝/铜粉末，接着混合碳纳米管/铝/铜粉末和镁合金AZ91D，300r/min球磨0.5h得到碳纳米管/铝/铜/镁粉末，并控制碳纳米管、铝、铜、镁的质量之比为1：1：4.5：1.8。

[0053]S3，将碳纳米管/铝/铜/镁粉末进行在4Mpa下冷压15min，接着在火花等离子烧结炉中于600℃下烧结1h，自然冷却后在老化炉中于200℃下保温6h得到高性能金属材料。

[0054]将实施例1至实施例8和对比例1和对比例2所得到的金属材料压铸成测试所用标准试棒并在拉伸试验机上按照GB/T 228.1-2021进行力学测试，所得性能参数详见下表1。

[0055]表1 实施例和对比例的金属材料力学性能参数

由上表可知，本发明创造性的利用了改性碳纳米管极大地增强了铝合金的力学性能和延展性，避免了碳纳米管在铝合金中团聚导致的铝合金延展性变差，并且，利用硅烷基团的水解和缩合产生的交联网络结构有利于碳纳米管与铝合金的界面结合，更进一步的利用碳纳米管表面上羟基和羧基的官能团产生的氢键使得碳纳米管在碳化硅中达成预分散效果，且制备工艺简单、成本较低，有望大规模应用于航空工业及民用工业的相关结构件中。

[0056]上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

说明书附图(1)