一種硅顆粒和碳納米管混合增強的鋁基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種硅顆粒和碳納米管混合增強的鋁基復合材料及其制備方法，特別 是提供了一種多壁碳納米管（CNTs)和硅顆粒混合增強鋁基復合材料的粉末冶金制備工藝， 使所制備材料能夠應用于航天精密設備支撐結構件，屬于先進材料研發領域。 技術背景
[0002] 隨航空航天科學技術不斷發展，應用于各個領域的新型航天器設計呈現出結構精 密化、薄壁化、大型化等特點，其精密零部件和結構件向輕量化、低成本、高性能、高可靠性 方向發展，從而降低航天飛行器的自身重量，提高航天器的有效載荷能力和運行穩定性，這 對材料提出更高的綜合性能要求。以航天精密設備支撐結構件為例，可用的新型材料必須 具有低密度、低膨脹系數以及良好的加工成型性等特性，同時還要具有高強度、適當的剛度 以實現對精密功能部件的可靠支撐作用，但傳統的金屬合金、陶瓷和聚合物材料，如鋁、鈦 合金、Invar合金、Kovar合金等都無法滿足新型航天器減重、環境穩定性、安全可靠性等性 能需求，這些都促使人們開發并設計新型材料。
[0003] 1?性能錯基復合材料在空間技術、航空航天、1?速受通、電子兀器件等1?技術領域 的應用發揮了重要作用，是典型的高技術新材料。目前航空航天領域廣泛應用的SiCp/Al 復合材料具有高的強度和彈性模量，能滿足航天器材料的要求，但其密度較大，且顆粒體積 分數較高時難以進行機械加工，限制了該材料的應用。
[0004] 硅具有較高的彈性模量（130-190GPa)，較低的硬度(加工性好)，低的密度（2.3g/ cm3)，熱導率和熱膨脹系數分別為156W/mK和4. IXKT6K' -些文獻和專利報道過采用高 體積分數的Si顆粒增強鋁及其合金制備復合材料，但所獲材料大多在熱管理、汽車活塞等 領域應用，應用于航天支撐結構件方面的很少報道，這主要是傳統工藝和方法制備的高硅 鋁材料強度較低的緣故。
【發明內容】
[0005] 本發明的主要目的是提供一種硅顆粒和碳納米管混合增強的鋁基復合材料。
[0006] CNTs是由石墨層片所組成的具有中空結構的新型晶體碳，是所有已知最結實，剛 度最高的材料之一，其軸向彈性模量目前從理論估計和試驗測定高達ITPa以上，抗拉強度 為lOOGPa，能承受大于40%的張力應變，而不會呈現脆性行為、塑性變形或鍵斷裂。此外， CNTs熱導率為3000?6000W/mK，是已知材料中熱導率最高的物質，同時其熱膨脹系數極低 (遠遠低于硅和鋁)。而采用CNTs強化鋁基復合材料時，所添加的CNTs體積分數一般較低 (高體分CNTs不易分散均勻)，這導致低體積分數的CNTs對鋁基體密度和熱膨脹系數降低 程度較小(往往滿足不了低密度和低膨脹系數要求)，但卻可大大提高基體的彈性模量和強 度。
[0007] 因此，本發明采用高體分的Si顆粒增強鋁合金基體，以此來大大降低鋁合金基體 的密度和熱膨脹系數，同時通過添加適量的CNTs (< 2. Ovol. %)來提高基體的強度和彈性 模量，旨在通過Si和CNTs兩種物質混合強化鋁合金基體，制備出具有低熱膨脹系數、低密 度、高抗彎強度、高彈性模量的材料，使目標材料滿足空天用結構器件的性能需求。
[0008] -種硅顆粒和碳納米管混合增強的鋁基復合材料，由鋁合金基體和增強體相組 成，增強體相由碳納米管（CNTs)和硅（Si)組成，鋁合金基體的體積百分比為30?50vol.%， 碳納米管（CNTs)的體積分數為0. 5?2vol. %，硅的體積分數為49?68vol. %。
[0009] 所述的鋁合金基體為2009A1等；所述的碳納米管（CNTs)為表面鍍鎢的碳納米管 (CNTs)。所述的增強體相為多壁碳納米管（CNTs)和硅Si顆粒混合增強體，
[0010] 碳納米管（CNTs)的體積分數可優選為1?2vol.%，硅（Si)顆粒的體積分數為 49. 5 ?68vol. %。
[0011] 本發明的另一個目的是提供一種制備新型鋁基復合材料的方法，主要包括CNTs 的表面預處理、粉體的球磨混粉、粉體冷等靜壓、冷等靜壓坯錠真空脫氣、冷等靜壓坯錠熱 等靜壓燒結、熱等靜壓坯錠熱處理等步驟，從而獲得具有低密度、高抗彎強度、高彈性模量 和低熱膨脹系數綜合性能的鋁基復合材料。
[0012] 一種硅顆粒和碳納米管混合增強鋁基復合材料的制備方法，包括如下步驟：
[0013] (I)CNTs的表面預處理工藝：先將CNTs進行表面酸洗處理，用水沖洗后烘干；然后 采用金屬有機化學氣相沉積法進行鍍W處理；
[0014] (2)球磨混粉工藝：將鍍W處理后的CNTs、Si粉和鋁合金基體粉放入球磨機內球 磨混合，鋁合金基體的體積百分比為30?50vol. %，碳納米管（CNTs)為0. 5?2vol. %，硅 Si顆粒為49?68vol. % ;
[0015] (3 )粉體等靜壓燒結工藝：將球磨后的混合粉進行冷等靜壓，然后將冷等靜壓坯錠 進行真空脫氣處理，再進行熱等靜壓；
[0016] (4)熱處理工藝：將熱等靜壓料進行固溶時效處理，在510°C保溫2h、水冷并自然 時效IOOh。
[0017] 步驟（1)中，所述的CNTs是名義直徑為20?30nm，長度為20?30μπι，密度為 I. 7g/cm3,純度為95%的多壁CNTs ;進行表面酸洗處理，以除去CNTs表面的催化劑雜質，所 用酸液為濃硫酸和濃硝酸混合液（H2SO 4和HNO3體積比為3:1)，CNTs在混酸中浸泡的時間 為30min，濾除酸溶液后采用去離子水對CNTs沖洗數遍并烘干。
[0018] 對CNTs進行表面鍍W處理，以改進CNTs與Al-Cu合金基體的潤濕性。鍍W采用 金屬有機化學氣相沉積方法，六羰基鎢（w(CO) 6)為前驅體，高純H2為載帶氣體(流量200ml/ min)，鍍覆溫度400?500°C，時間60min。
[0019] 步驟（2)中，所述的鋁合金基體為2009A1，將混酸和鍍W預處理過后的CNTs、名義 直徑為5 μ m的Si粉及名義直徑為25 μ m的2009A1粉在轉動式球磨機中混合，轉速為100 轉/分鐘，球磨時間為30h，軸承鋼球為球磨用球，球料比為2:1，混粉過程為干混。
[0020] 步驟（3)中，將球磨后的粉體裝入橡膠包套進行冷等靜壓，冷等靜壓壓力為 150MPa，保壓時間為0.5h;將冷等靜壓坯錠進行真空脫氣，真空脫氣溫度最高溫度為 560°C，脫氣真空度小于KT 3Pa ;真空除氣坯錠封焊后進行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為560? 590°C，壓力為IOOMPa，保溫保壓時間3h。
[0021] 步驟（4)中，對熱等靜壓料進行固溶時效處理，以5?8°C /min的速度將箱式電阻 爐升溫至510°C并保溫30min，隨后將熱等靜壓料放入爐內保溫2h、水冷，自然時效100h。
[0022] 本發明的優點在于CNTs混粉前進行了鍍W處理，改善了 CNTs與金屬鋁合金基體 的界面潤濕性；通過添加 CNTs與Si顆粒混合增強Al合金基體，可顯著增強基體的彈性模 量和強度、降低密度和熱膨脹系數。與單純高體分Si顆粒增強Al合金相比，CNTs與Si顆 粒混合增強的復合材料密度更低、熱膨脹系數更小，彈性模量和抗彎強度更高。制備得到的 復合材料具有低密度、高抗彎強度、高彈性模量和低熱膨脹系數綜合性能，能夠應用于航天 精密器件用結構材料。
[0023] 本發明采用粉末冶金工藝，主要通過低體分CNTs (< 2vol. %)和高體分Si顆粒 O 49vol. %)混合增強鋁合金基體，降低基體的密度和熱膨脹系數，同時提高基體的彈性模 量和抗彎強度，獲得一種航空航天用低密度、低熱膨脹系數、高抗彎強度和高彈性模量的材 料。本發明新型鋁基復合材料的密度為2. 43?2. 52g/cm3,抗彎強度為400?500MPa，彈 性模量為115?125GPa，熱膨脹系數為8. 5?10. 9 X KT6K'該材料的優異性能可以較好 滿足航天器支撐結構件的使用要求。
【附圖說明】
[0024] 圖1是制備工藝路線圖。
[0025] 圖2是碳納米管鍍鎢示意圖。
[0026] 主要附圖標記：
[0027] 1載帶氣體輸送管道 2氣相沉積室
[0028] 3沉積室加熱裝置 4氣體管道閥門
[0029] 5彈簧 6震動裝置
[0030] 7油浴鍋加熱裝置 8六羰基鎢裝料瓶
[0031] A固態六羰基鶴 B氣態六羰基鶴與載帶氫氣的混合氣體
[0032] C碳納米管 D氮氣
[0033] E氫氣 F油浴鍋用油
【具體實施方式】
[0034] 通過如下實施實例對本發明做進一步的詳細描述，但發明的實施方式不限于此。
[0035] 如圖1所示，為本發明的制備工藝路線圖，先將CNTs表面鍍W，然后與Si粉和 2009A1粉一起進行球磨混粉一冷等靜壓一真空脫氣一熱等靜壓一固溶時效處理，最終得到 硅顆粒和碳納米管混合增強的鋁基復合材料。
[0036] 如圖2所示，為碳納米管鍍鎢示意圖，碳納米管鍍鎢步驟為：（1)將碳納米管C放 入氣相沉積室2,固態六羰基鎢A晶體放入六羰基鎢裝料瓶8。打開氣體管道閥門4,氫氣E (或氮氣D)將載帶氣體輸送管道1、六羰基鎢裝料瓶8和氣相沉積室2內的空氣趕出；（2) 啟動沉積室加熱裝置3將碳納米管C加熱到金屬鎢鍍覆溫度，啟動震動裝置6使碳納米管 C處于在震動狀態(保證接下來金屬鎢可均勻鍍覆在碳納米管C表面);（3)油浴鍋內放置油 浴鍋用油F，啟動油浴鍋加熱裝置7將固態六羰基鎢A加熱升華轉變成氣態六羰基鎢，氣態 六羰基鎢與流經的載帶氫氣E混合形成混合氣體B并