碳納米管金屬粉末混合體及金屬複合材料的製備方法
2023-10-11 03:24:54 1
專利名稱：碳納米管金屬粉末混合體及金屬複合材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種粉末混合體的製備方法及複合材料的製備方法，尤其涉及一種碳 納米管金屬粉末混合體的製備方法及碳納米管金屬複合材料的製備方法。
背景技術：
自從碳納米管被發現以來，這種材料所具有的高強度與高的電導率、低熱膨脹系 數等優良性能很快引起材料科學工作者的重視。碳納米管已被廣泛的應用於金屬複合材料 的製備中，然而製備碳納米管金屬複合材料的技術仍然面臨很大的困難。由於碳納米管具 有很大的比表面積和比表面能，其自身很容易出現團聚現象，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製備碳納米管金屬複合材料的關鍵。 為解決這一問題，現有技術中，有將碳納米管與金屬顆粒共混後採用機械球磨的方法實現 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 械球磨後，形態遭受到了嚴重破壞，從而在複合材料中以石墨片的形態存在，使得通過該方 法製備的複合材料中碳納米管的含量低，從而該方法製備碳納米管金屬複合材料的產出率 低。
發明內容
確有必要提供一種碳納米管金屬粉末混合體及碳納米管金屬複合材料的製備方 法，通過該方法製備的碳納米管基金屬複合材料中的碳納米管分散均勻，碳納米管的形態 不受破壞，碳納米管金屬複合材料的產出率高。一種碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其包括以下步驟提供碳納米管，並將 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，並將金屬粉末加入所述懸 濁液中，攪拌後靜置，碳納米管與所述金屬粉末沉澱並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。一種碳納米管金屬複合材料的製備方法，其包括以下步驟提供碳納米管，並將該 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，並將金屬粉末加入所述懸濁 液中，攪拌後靜置，碳納米管與所述金屬粉末沉澱並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；以及熱壓上述碳納米管金屬粉末的混合體，形成碳納米管金屬複合材料。一種碳納米管金屬複合材料的製備方法，其包括以下步驟提供碳納米管，並將該 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，並將金屬粉末加入所述懸濁 液中，攪拌後靜置，碳納米管與所述金屬粉末沉澱並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；在保護氣體保護下，加熱上述碳納米管金屬粉末的混合體，形成一半固態漿料；對上 述的半固態漿料施加電磁攪拌，以使碳納米管在半固態漿料中均勻分散；以及將上述均勻
3分散有碳納米管的半固態漿料注射進一壓鑄模具中，冷卻後，得到一碳納米管金屬複合材 料。 與現有技術相比較，所述的碳納米管金屬粉末混合體及碳納米管金屬複合材料的 製備方法，通過在碳納米管的均勻懸濁液中加入金屬粉末，攪拌靜置後，得到一具有碳納米 管金屬粉末均勻混合體系與溶劑的兩相分離界面的混合液的方法使得碳納米管均勻分散 於金屬粉末中，具有較好的分散效果。將上述碳納米管金屬粉末混合體進一步製備成碳納 米米管金屬複合材料的方法，不需要對碳納米管進行任何物理或化學處理，碳納米管以完 整的形態均勻分散於碳納米管金屬複合材料中，該方法具有較高的產出率。該方法僅僅通 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，可以大大的降低碳納米管金屬 複合材料的製備成本，提高效率，具有工藝簡單，成本較低的優點。
圖1是本發明實施例碳納米1f金屬複合材料的製備方法的流程圖。
圖2是本發明實施例碳納米1f金屬複合材料的製備方法的工藝流程圖。
圖3是發明實施例所獲得的碳納米管金屬粉末的混合體的掃描電鏡照片。
圖4是本發明實施例採用熱壓法製備碳納米管金屬複合材料的裝置示意圖。
主要元件符號說明
碳納米管10
金屬粉末12
溶劑20
碳納米管金屬粉末的混合體30
兩相分離界面40
容器100
熱壓機200
上壓板210
下壓板220
模腔230
具體實施例方式下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供的碳納米管金屬粉末混合體以及復 合材料的製備方法作進一步的詳細說明。如圖1所示，本發明實施例提供了一種碳納米管金屬複合材料的製備方法，請參 閱圖2，其具體包括以下步驟步驟一，將碳納米管10分散到溶劑20中，得到均勻的懸濁液。首先，提供碳納米管10作為原料。所述碳納米管10可以為單壁、雙壁或多壁碳納米管。所述碳納米管10可以通過電 弧放電法、雷射蒸發法或者化學氣相沉積法製備獲得。碳納米管10的長度越大，其比表面 積越大，從而碳納米管10之間容易纏繞團聚，從而不利於將碳納米管10均勻分散於溶劑中 形成懸濁液。因此儘量採用非超長的碳納米管10較合適，比如可採用直徑10納米 50納米，長度是1微米 50微米的多壁碳納米管作為原料。本實施例中，選用直徑為10納米 20納米，長度為5微米 15微米的碳納米管10，可以使碳納米管10更容易均勻分散於溶 劑中。進一步，所述碳納米管10可為經過功能化處理的碳納米管10。該碳納米管10表 面包括帶有負電荷的功能團，該功能團包括羧基(-C00H)、羥基(-0H)、醛基(-CH0)以及氨 基(-NH2)等中的一種或多種。該功能團可以形成於碳納米管10管壁上或端部。可以理解， 藉助於該功能團，碳納米管10可以更好地分散於溶劑當中。本實施例中，碳納米管10表面 帶有多個羧基(-C00H)與羥基(-0H)。其次，將所述碳納米管10加入到溶劑20中，超聲分散一段時間，得到均勻分散有 碳納米管10的懸濁液。具體地，可以取一個盛有溶劑20的容器100，將所述碳納米管10倒入容器100中， 採用超聲波處理一段時間，碳納米管10均勻分散於溶劑20中，從而可以得到均勻分散有碳 納米管10的懸濁液。由於碳納米管10具有較小的密度，使得該碳納米管10分散於溶劑20 中形成的碳納米管10的懸濁液中，即使久置也不會出現分層現象。另外，在上述超聲分散 處理過程中，在超聲波的作用下，分散於溶劑20中碳納米管10會帶有靜電。所述溶劑20 為酒精、乙酸乙酯或氮氮二甲基甲醯胺(DMF)。所述進行超聲波處理的時間為10分鐘-120 分鐘。本實施例中，所述溶劑20為乙酸乙酯，超聲波處理的時間為30分鐘。步驟二，提供金屬粉末12，並將金屬粉末12加入所述懸濁液中，攪拌後靜置，碳納 米管10與所述金屬粉末12沉澱並形成均勻的混合體系。具體地，可以將金屬粉末12加入上述容器100中的碳納米管10的懸浮液，採用機 械攪拌的方式，對所述加入金屬粉末12的懸濁液進行攪拌，在攪拌過程中，由於懸濁液中 的碳納米管10表面帶有靜電，在靜電力的作用下，碳納米管10被吸附於金屬粉末12的表 面。靜置一段時間後，吸附有碳納米管10的金屬粉末12沉澱於容器100的底部，形成碳納 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40。在兩相分離界 面40的上方為溶劑相，溶劑相為無色，透明，均一，穩定的狀態，溶劑相中基本無碳納米管 10的存在；兩相分離界面40的下方形成碳納米管金屬混合體系，該碳納米管金屬混合體系 沉澱形成於容器100的底部，在碳納米管金屬混合體系中，碳納米管10與金屬粉末12均勻 混合在一起，同時，碳納米管10吸附於金屬粉末12的表面，在金屬粉末12之間的間隙中還 會有一定的溶劑存在。其中，所述金屬粉末12可以是純金屬顆粒也可以是合金顆粒。加入的金屬粉末12 與碳納米管10的體積比為1 1 50 1。所述金屬粉末12的顆粒半徑為1微米 100 微米。所述金屬粉末12中純金屬顆粒的材料可以是鎂、銅、鐵、鎳、金、銀、鈀及鈦中的一種。 所述合金顆粒可以為上述金屬或其他任意金屬組成的合金。優選地，所述合金顆粒為鎂合 金顆粒，其材料具體為鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀及鈣等元素中的一種或幾種與金屬鎂組成的 合金。其中鎂佔鎂合金顆粒總質量百分比80%以上，其他元素佔鎂合金顆粒總質量百分比 20%以下。本實施例的金屬粉末12為鉛顆粒，鉛顆粒平均直徑為5納米 50微米，加入的 鉛顆粒與碳納米管的體積比為20 1。步驟三，去除溶劑20，獲得碳納米管金屬粉末的混合體30。去除溶劑20的方法可以通過固液分離法的方法實現，具體包括以下步驟過濾分離所述碳納米管金屬混合體系；靜置烘乾一段時間從而獲得碳納米管金屬粉末的混合體 30。過濾分離所述碳納米管金屬混合體系的方法可以先將上述容器100中兩相分離 界面上方的溶劑20從容器100中倒出，然後再將剩餘的碳納米管金屬混合體系與少量的溶 劑20通過濾紙分離。所述烘乾處理通過將過濾分離得碳納米管金屬混合體系放入真空乾燥箱中烘乾 的方式實現，目的在於使碳納米管金屬混合體系中殘留的溶劑蒸發。所述烘乾處理的溫度 為40V 50°C，所述烘乾處理所用的時間為10 60分鐘。請參見圖3，圖3為本實施例中碳納米管與鉛粉末形成的碳納米管鉛金屬粉末的 混合體30的SEM照片。從圖3可以看出，碳納米管均勻分散於碳納米管鉛金屬粉末的混合 體中，碳納米管吸附在鉛金屬顆粒表面。每一個鉛金屬顆粒的表面都均勻的吸附有多個碳 納米管，吸附於鉛金屬顆粒表面的多個碳納米管基本包覆於整個鉛金屬顆粒的表面，從而， 使得碳納米管與鉛金屬粉末均勻混合。進一步地，上述實施例所提供的方法所製備的碳納米管金屬粉末的混合體30可 進一步進行成型處理製備碳納米管金屬複合材料。該成型處理方法包括模具成型處理或熱 壓成型處理。具體地，所述模具成型處理的方法進一步包括以下步驟首先，在保護氣體保護 下，加熱上述碳納米管金屬粉末的混合體30，形成一半固態漿料；其次，對上述的半固態漿 料施加電磁攪拌，以使碳納米管在半固態漿料中均勻分散；最後，將上述均勻分散有碳納米 管的半固態漿料注射進一壓鑄模具中，冷卻後，得到一碳納米管金屬複合材料。該方法由於 進一步採用電磁攪拌的方法使得碳納米管在半固態漿料進一步分散，從而可以獲得分散程 度更好的碳納米管金屬複合材料。如圖4所示，所述熱壓成型處理的方法為在一熱壓機200中對碳納米管金屬粉末 的混合體30進行熱壓獲得碳納米管金屬複合材料。熱壓機200包括一上壓板210，一下壓 板220，一模腔230。此模腔230可以抽成真空或通入惰性氣體。將碳納米管金屬粉末的混 合體30裝入熱壓機200的模腔230內，置於上壓板210與下壓板220之間。將熱壓機200 的模腔230內抽成真空或通入惰性氣體。在高溫下，熱壓機200上下壓板對碳納米管金屬 粉末的混合體30施加一壓力，以進行熱壓，所述金屬粉末成為半固態相互結合在一起。保 持該溫度及壓力一段時間後，將壓力降至常壓。將經過熱壓後的產物放置於空氣中冷卻至 室溫。具體熱壓條件為溫度範圍300°C至400°C，壓強範圍50至lOOMPa，保溫保壓時間5 至15小時。通過此熱壓過程，碳納米管金屬粉末的混合體30中的金屬粉末12與碳納米管 10複合在一起，形成一碳納米管金屬複合材料。直接熱壓所述碳納米管金屬粉末的混合體 30的方法操作簡單，獲得的碳納米管金屬複合材料中碳納米管分散均勻。通過上述方法獲 得碳納米管金屬複合材料，方面運輸，實際使用時還可以進一步加工處理。所述的碳納米管金屬粉末混合體及碳納米管金屬複合材料的製備方法，通過在碳 納米管的均勻懸濁液中加入金屬粉末，攪拌靜置後，得到一具有碳納米管金屬粉末均勻混 合體系與溶劑的兩相分離界面的混合液的方法使得碳納米管均勻分散與金屬粉末中，其具 有較好的分散效果，通過該方法獲得的碳納米管金屬粉末混合體，碳納米管均勻分散。進一 步將所述碳納米管金屬粉末混合體製備成碳納米管金屬複合材料的方法，並且由於該方法不需要對碳納米管進行任何物理或化學處理，碳納米管具有完整的形態，碳納米管已完整 的形態均勻分散於碳納米管金屬複合材料中，該方法具有較高的產出率。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。 另外，本領域技術人員還可以在本發明精神內做其他變化，當然，這些依據本發明 精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍內。
權利要求
1.一種碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其包括以下步驟提供碳納米管，並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，並將金屬粉末加入所述懸濁液中，攪拌後靜置，碳納米管與所述金屬粉 末沉澱並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。
2.如權利要求1所述的碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述碳納 米管為經過表面處理的的碳納米管，表面處理後的碳納米管的表面形成有帶負電荷的功能 團，該功能團包括羧基、羥基、醛基以及氨基的一種或多種。
3.如權利要求1所述的碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述金屬 粉末為純金屬顆粒或合金顆粒。
4.如權利要求3所述的碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述金屬 粉末與碳納米管的體積比為1 1 50 1。
5.如權利要求3所述的碳納米管金屬金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述 金屬粉末的顆粒半徑為5微米 100微米，所述碳納米管的長度為1微米 50微米。
6.如權利要求3所述的碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述的合 金顆粒為鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀及鈦中的一種或幾種與鎂組成的合金顆粒。
7.如權利要求1所述的碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述碳納 米管金屬混合體系中，所述金屬粉末的表面吸附有多個碳納米管。
8.如權利要求1所述的碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述兩相 分離界面，的一側為溶劑，另一側為碳納米管金屬混合體系。
9.如權利要求1所述的碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述溶劑 為酒精、乙酸乙酯或氮氮二甲基甲醯胺。
10.如權利要求1所述的碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其特徵在於，所述去除 溶劑的方法為固液分離法，該固液分離法包括以下步驟過濾分離所述碳納米管金屬混合體系； 靜置烘乾一段時間從而獲得碳納米管金屬粉末的混合體。
11.一種碳納米管金屬複合材料的製備方法，其包括以下步驟提供用如權利要求1 10中任一項所述的製備方法製備的碳納米管金屬粉末混合體；以及在真空或惰性氣體環境下，熱壓上述碳納米管金屬粉末的混合體，所述金屬粉末成為 半固態相互結合在一起，降溫減壓後，形成碳納米管金屬複合材料。
12.—種碳納米管金屬複合材料的製備方法，其包括以下步驟提供用如權利要求1 10中任一項所述的製備方法製備的碳納米管金屬粉末混合體；在保護氣體保護下，加熱上述碳納米管金屬粉末的混合體，形成一半固態漿料； 對上述的半固態漿料施加電磁攪拌，以使碳納米管在半固態漿料中均勻分散；以及 將上述均勻分散有碳納米管的半固態漿料注射進一壓鑄模具中，冷卻後，得到一碳納 米管金屬複合材料。
全文摘要
本發明涉及一種碳納米管金屬粉末混合體的製備方法，其包括以下步驟提供碳納米管，並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，並將金屬粉末加入所述懸濁液中，攪拌後靜置，碳納米管與所述金屬粉末沉澱並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。本發明還進一步提供採用所述碳納米管金屬粉末混合體的製備方法製備碳納米管金屬複合材料的方法。
文檔編號B22F3/22GK102133634SQ201010102120
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月22日 優先權日2010年1月22日
發明者劉長洪, 胡春華, 範守善 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(深圳)有限公司