一種C60增強Al基複合材料及其製備方法與流程

2023-06-17 17:18:46

本發明涉及一種c60增強al基複合材料及其製備方法，屬於金屬材料領域。

背景技術：

鋁基複合材料具有密度小，耐蝕性強，導電導熱性能優異，加工性能好等優點，成為當前金屬基複合材料研究的主流。隨著汽車和航空航天領域的發展，尤其是在太空空間，電離輻射等惡劣環境中對金屬基複合材料的比強度、比模量、耐蝕性、導電導熱等性能要求更高，傳統的陶瓷纖維和顆粒增強體已經不能滿足對材料的要求。

過去幾十年中，研究者們在提高鋁合金力學性能的傳統工藝做出了巨大的努力，包括合金元素的調整、結構設計、熱處理制度和變形工藝等，但是難以實現鋁合金力學性能的進一步突破。相比於陶瓷纖維增強體碳纖維和石墨顆粒增強體因為因為高的導熱性，低的熱膨脹係數，優異的阻尼能力和非常好的自潤滑性能引起了許多研究者的關注。碳作為增強體能夠有效提高鋁及其合金的強度和剛度。最初，研究者們針對碳纖維或碳納米管增強鋁基複合材料進行了大量的研究。

碳納米管具有優良的力學、光學、電學、耐高溫、耐腐蝕、質量輕等優異性能，這使得其成為一種理想的增強劑。碳納米管力學性能的理論和實驗研究表明，碳納米管的韌性好、結構穩定、具有極小的尺度及優異的力學性能，是理想的一維納米增強、增韌材料。由於優異的力學和物理性能，碳納米管被認為是最具前景的鋁基複合材料增強體之一。例如在公開號為cn103602843a、cn1546695a、cn1730688a、cn101613079a的中國發明專利中均介紹了碳納米管增強鋁基複合材料的製備技術，但是近些年研究發現，把碳納米管作為增強體加入到鋁基體中對鋁基複合材料的增強效果並不明顯。主要問題是由於碳納米管增強鋁基複合材料存在碳納米管團聚現象較為明顯。

富勒烯（fullerene)是單質碳被發現的第三種同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀、橢圓狀、或管狀結構存在的物質，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一類物質。富勒烯與石墨結構類似，但石墨的結構中只有六元環，而富勒烯中可能存在五元環。最具有代表性的c60的碳原子之間是通過單雙鍵交替相結合的，在一定條件下富勒烯分子的雙鍵將被打開，與相鄰的分子通過[2+2]、[3+3]、[4+4]等環加成形式形成穩定的共價鍵，所形成的結構就稱為富勒烯聚合結構。富勒烯在高壓或高溫高壓的條件下還可以轉變為具有較高硬度，甚至超高硬度的材料。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種c60增強al基複合材料及其製備方法，製備得到化學穩定性更好、界面結合更好的al摻雜c60的高性能鋁基複合材料，便於其在電子行業的推廣應用。

本發明提供了一種c60增強al基複合材料，由以下重量百分比的原料製備而成：

c60：0.20-1.98%

al粉：98.02-99.8%。

本發明提供了一種c60增強al基複合材料的製備方法，包括以下步驟：

(1)將c60和al粉混合，加入乙醇後使用球磨機混合，且在低溫球磨機上進行球磨；

(2)將球磨後的混合樣品置於真空乾燥箱內，在50-80℃下烘乾0.5-2h，得到c60/al複合粉體；

(3)然後將c60/al複合粉體壓製成型，並進行保壓；

(4)最後，將成型後的坯料放入有惰性氣體保護的加熱設備中進行燒結，燒結溫度為500～650℃，燒結時間為0.8h～6h。

上述製備方法中，所述步驟（1）中，球磨過程中，球磨溫度為-60–-20℃，球磨時間為2-10小時。

上述製備方法中，所述步驟（3）中，壓製成型的溫度為400-500℃，成型壓力為600mpa～1000mpa，在此成型壓力下保壓0.5～100min。

上述製備方法中，所述惰性氣體為ar氣。

富勒烯分子晶體是由弱的範德瓦爾斯作用相結合的，因此是一種較軟的物質，在壓力的作用下很容易被壓縮，除了分子間距變小，具有中空籠狀結構的富勒烯分子本身也會發生形變，甚至塌陷。然而由於富勒烯單分子的不可壓縮性，導致其分子晶體的壓縮性在較高的壓力下變得很低，硬度也得到提高，這些特點使得富勒烯晶體在高壓下出現了豐富的結構相變。

常溫常壓下，富勒烯c60具有fcc結構，c60分子在晶體中自由轉動，然而在較低的壓力下(約0.2gpa)，c60分子發生取向有序的轉變，即分子的取向在壓力的作用下受到限制，原來自由轉動的c60分子被「凍結」，發生結構轉變。隨著熱成型壓力的增加，相鄰c60分子間距離繼續減小，相互擠壓使得c60分子發生形變，當壓力增加到20gpa左右時，c60分子形變更加嚴重，甚至開始塌陷，就會發生非晶化的轉變。

由於富勒烯的晶粒細化和彌散強化作用，c60/al複合材料板材表現出較高的維氏硬度(240hv)和較高的屈服強度(810mpa)。

本發明的有益效果：

（1）本發明採用球磨、成型與燒結相結合的方式，具有工藝簡單，設備投入低，能夠快速實現鋁基體燒結緻密化；

（2）在發揮c60自身優異性能改性鋁基體的同時，還能夠利用基體的晶粒細化和彌散強化共同作用增強鋁基體，使得c60/al複合材料的綜合性能大幅度提高，具有廣泛的工業應用前景，且可以在鋁合金電纜行業得到廣泛的應用。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限於以下實施例。

實施例1：

(1)首先將質量比例為99.1:0.9的c60和al粉混合，加入1.0ml乙醇後使用球磨機混合，時間為2.0小時。(2)將球磨後的混合樣品置於真空乾燥箱內，在55℃下烘乾0.6h。(3)然後將c60/al複合粉體在430℃進行成型，壓力為680-700mpa，且在此壓制壓力下保壓20min。(4)最後，將成型後的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護的加熱設備中進行燒結，燒結溫度為530℃，燒結時間為1.6h。經測試，其緻密度達99.4%，抗拉強度達172.3mpa，較基體提高了53.28%。

實施例2

(1)首先將混合一定質量比例(98.3:1.7)的c60和al粉，加入少量乙醇（2.0ml）後使用球磨機混合，時間為2.5小時。(2)其次將球磨後的混合樣品置於真空乾燥箱內，在68℃下烘乾0.9h。(3)然後將c60/al複合粉體在460℃進行成型，壓力為680-700mpa之間，且在此壓制壓力下保壓30min。(4)最後，將成型後的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護的加熱設備中進行燒結，燒結溫度為560℃，燒結時間為2.0h。經測試，其緻密度達99.5%，抗拉強度達181.5mpa，較基體提高了55.65%。

實施例3

(1)首先將混合一定質量比例(98.8:1.2)的c60和al粉，加入少量乙醇（3.0ml）後使用球磨機混合，時間為3.0小時。(2)其次將球磨後的混合樣品置於真空乾燥箱內，在75℃下烘乾1.5h。(3)然後將c60/al複合粉體在480℃進行成型，壓力在700mpa～800mpa之間，且在此壓制壓力下保壓60min。(4)最後，將成型後的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護的加熱設備中進行燒結，燒結溫度為600℃，燒結時間為4.0h。經測試，其緻密度達99.5%，抗拉強度達178.6mpa，較基體提高了54.93%。

實施例4

(1)首先將混合一定質量比例(99.8:0.2)的c60和al粉，加入少量乙醇（4.5ml）後使用球磨機混合，時間為6.0小時。(2)其次將球磨後的混合樣品置於真空乾燥箱內，在80℃下烘乾2.0h。(3)然後將c60/al複合粉體在500℃進行成型，壓力在800mpa～1000mpa之間，且在此壓制壓力下保壓90min。(4)最後，將成型後的坯料放入具有惰性氣體ar氣保護的加熱設備中進行燒結，燒結溫度為650℃，燒結時間為6.0h。經測試，其緻密度達99.7%，抗拉強度達170.5mpa，較基體提高了52.79%。