利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法。步驟為：取原始的碳納米管進(jìn)行預(yù)處理工藝；然后在其表面包覆一層能夠有效阻隔碳納米管團(tuán)聚并提升碳納米管和鋁液潤(rùn)濕性的物質(zhì)，得到復(fù)合粉體；將復(fù)合粉體加入到熔融鋁液中進(jìn)行真空熔煉，使得碳納米管能夠均勻分布于鋁基體中，澆鑄成型后得到目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明方法可實(shí)現(xiàn)將原始的高電阻率的碳納米管的本體電阻率降低，增加碳納米管與鋁液之間的潤(rùn)濕性能，提升碳納米管在鋁基體中的分散性能，提高鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
【專利說明】
利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種利用低電阻率碳納米管制備 高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)異性能，這使 得其可以作為一種理想的納米添加相。到目前為止關(guān)于碳納米管鋁基復(fù)合材料的消息已經(jīng) 有大量的報(bào)道，但問題是這些報(bào)道的極大部分都是集中于關(guān)注碳納米管增強(qiáng)鋁基體，充分 利用碳納米管優(yōu)異的機(jī)械性能，而對(duì)于利用碳納米管來提升鋁基體的導(dǎo)電性能則很少，忽 略了碳納米管其本身還具有良好的導(dǎo)電性能。
[0003] 例如在申請(qǐng)公布號(hào)為CN 103602850 A的發(fā)明專利中介紹了一種高導(dǎo)電碳納米管 金屬基復(fù)合材料，碳納米管含量為〇. 1-30 %，金屬70-99. 9 %，所述金屬為銅、鋁或者銅鋁 的合金。與未添加碳納米管的材料相比，此發(fā)明的高導(dǎo)電碳納米管金屬基復(fù)合材料導(dǎo)電率 可提高達(dá)10%以上。其方法是將碳納米管進(jìn)行混合濃酸的粗化處理，然后在其表面鍍覆金 屬處理，后經(jīng)過粉末冶金工藝或者攪拌鑄造工藝制備得到復(fù)合材料。此方法雖然對(duì)碳納米 管進(jìn)行了一定程度的處理，但是此處理方法并不是針對(duì)降低碳納米管本體電阻率，且其在 碳納米管表面鍍覆金屬，這容易使得碳納米管和基體之間界面形成合金，從而加大電子傳 輸過程中的電子散射，不利于整體導(dǎo)電性能的提升。
[0004] 例如在申請(qǐng)公布號(hào)為CN 103924114 A的發(fā)明專利中介紹了一種超聲制備碳納米 管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，首先將碳納米管超聲分散于無水乙醇溶液中，按鋁-碳納米 管中間合金中碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8-lOwt. %的配比將鋁粉加入到上述溶液中后，一邊 機(jī)械攪拌一邊加熱，將無水乙醇蒸干，將粉體放入烘干箱內(nèi)烘干，再把所得混合粉末放入模 具壓制成塊，接著進(jìn)行熱壓燒結(jié)得鋁-碳納米管中間合金；將鋁合金加熱至完全熔化后，加 入鋁-碳納米管中間合金，同時(shí)施加超聲，促使增強(qiáng)相碳納米管均勻分散，超聲處理結(jié)束后 調(diào)整熔體溫度，澆鑄鑄件。此方法雖然對(duì)碳納米管進(jìn)行了前期的分散處理，但是碳納米管與 鋁合金只是粘附性結(jié)合存在極低的粘附強(qiáng)度，且采用烘干處理工藝導(dǎo)致分散好的碳納米管 在干燥環(huán)境中將重新團(tuán)聚，這就導(dǎo)致了中間合金加入到鋁熔體中后碳納米管在鋁熔體中呈 現(xiàn)團(tuán)聚狀態(tài)且碳納米管與鋁合金剝離，導(dǎo)致碳納米管和鋁液潤(rùn)濕性不佳，制備得到的碳納 米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料導(dǎo)電性自然不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述存在的不足，提供一種將原始的高電阻率 的碳納米管的本體電阻率降低，增加碳納米管與鋁液之間的潤(rùn)濕性能，提升碳納米管在鋁 基體中的分散性能，消除二者之間的密度差異，從而實(shí)現(xiàn)制備得到的復(fù)合材料在強(qiáng)度提高 的同時(shí)，導(dǎo)電率也得到了很大程度的提升的利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合 材料的方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法，其特征在于，包含有 如下步驟：
[0008] 碳納米管的氧化處理工藝：
[0009] 采用原始的碳納米管，把其放入到馬弗爐或者其他高溫設(shè)備中進(jìn)行高溫氧化處 理，去除其表面的無定形碳及一些易高溫?fù)]發(fā)或分解的物質(zhì)，并使得原始碳納米管表面一 些缺陷位置重新生長(zhǎng)閉合，得到粉體A ;
[0010] 碳納米管的酸洗浸泡工藝：
[0011] 將經(jīng)過高溫氧化處理的碳納米管按照和酸溶液混合，施加攪拌后取出，將其洗滌 至中性后，得到可用于后續(xù)工藝的粉體B ;
[0012] 碳納米管摻雜工藝：
[0013] 將粉體B和能夠進(jìn)行摻雜鹵族元素的物質(zhì)進(jìn)行混合，此類物質(zhì)包括鹵族元素（氟、 氯、溴、碘）單質(zhì)或者其中幾種元素的混合物質(zhì)，后采取高溫或者強(qiáng)光照射處理在封閉容器 中反應(yīng)后取出，洗滌至中性烘干研磨，制備得到低電阻率的碳納米管粉體。
[0014] 碳納米管的表面包覆工藝：
[0015] 采用表面包覆工藝在經(jīng)過預(yù)處理的碳納米管表面沉積一種可以有效阻隔碳納米 管團(tuán)聚且增加其和鋁液潤(rùn)濕性的物質(zhì)，得到復(fù)合粉體，此類物質(zhì)為聚合物、硼化物、氧化物， 可以是聚乙二醇、聚乙烯醇、氧化硼、四硼酸鈉的一種或者以上任意組合。
[0016] 真空熔煉工藝：
[0017] 在真空熔煉爐中熔化純鋁錠，所述真空熔煉爐使用真空度為OPa~10 4Pa，待純鋁 錠完全熔化后，在660°C~1500°C溫度下保溫lOmin~lh，加入制備得到的復(fù)合粉體含量為 0? 1 %~50%，施以攬摔，攬摔速度為lOOrpm~4000rpm，攬摔時(shí)間為lmin~lh，在660°C~ 1500°C的溫度下完成澆鑄，制備得到碳納米管鋁基復(fù)合材料。
[0018] 在上述方案中，所述的碳納米管的氧化處理工藝中，高溫氧化溫度為100-800°C， 高溫氧化時(shí)間為5_300min。
[0019] 在上述方案中，所述的碳納米管的酸洗浸泡工藝中，酸溶液為鹽酸、硫酸和硝酸的 一種或者幾種的混合溶液，濃度為10% -80%，碳納米管和酸混合的時(shí)間為3-240min，攪拌 速度為 l〇〇-l〇〇〇rpm。
[0020] 在上述方案中，所述的碳納米管摻雜工藝中，碳納米管與鹵族物質(zhì)的比例控制在 lg ：0.lml-lg ：5ml〇
[0021] 在上述方案中，所述的碳納米管摻雜工藝中，若摻雜反應(yīng)采取高溫處理則其反應(yīng) 溫度為50-300°C，反應(yīng)時(shí)間為30-720min。
[0022] 在上述方案中，所述的碳納米管摻雜工藝中，若摻雜反應(yīng)采取強(qiáng)光照射處理，其反 應(yīng)時(shí)間為30-1440min。
[0023] 在上述方案中，所述的碳納米管為單壁碳納米管、多壁碳納米管和雙壁碳納米管 中的任意一種或兩種以上的任意組合，碳納米管管徑為lnm~100nm。
[0024] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0025] (1)對(duì)碳納米管本體進(jìn)行處理能夠有效的提升其本體導(dǎo)電率，較原始的碳納米管 的電阻率降低50% -70%，對(duì)于充分發(fā)揮碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性能奠定了良好的基礎(chǔ)，其 能夠作為提升復(fù)合材料導(dǎo)電率的優(yōu)良的填充物質(zhì)。
[0026] (2)經(jīng)過本方法處理過的碳納米管，由于改變了其本體結(jié)構(gòu)的特性，經(jīng)過大量試驗(yàn) 驗(yàn)證后，其相較于原始的碳納米管具有更加優(yōu)異的分散性能，從而解決了在制備復(fù)合材料 過程中的關(guān)鍵性難題
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的方法流程圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中粉體A的SEM照片；
[0029] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中粉體B的SEM照片；
[0030] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中采用包覆工藝后的碳納米管表面沉積四硼酸鈉的SEM照 片；
[0031] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中所制備得到的高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)電率性能曲線 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：
[0033] 實(shí)施例1 :
[0034] 參見圖1，該鋁基復(fù)合材料的制備方法是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0035] 步驟一參見圖2,碳納米管的氧化處理工藝：
[0036] 采用原始的管徑為60nm多壁碳納米管，把其放入到馬弗爐或者其他高溫設(shè)備中， 在600°C高溫下氧化處理30min，去除其表面的無定形碳及一些易高溫?fù)]發(fā)或分解的物質(zhì)， 并使得原始碳納米管表面一些缺陷位置重新生長(zhǎng)閉合，得到粉體A ;
[0037] 步驟二參見圖3,碳納米管的酸洗浸泡工藝：
[0038] 將經(jīng)過高溫氧化處理的多壁碳納米管加入到濃度為36. 5%的濃鹽酸中浸泡，施加 攪拌lOOrpm混合lOmin后取出，將其洗滌至中性后，得到可用于后續(xù)工藝的粉體B ;
[0039] 步驟三碳納米管摻雜工藝：
[0040] 將粉體B和IC1進(jìn)行混合，混合比例為lg :0. 1ml，后在封閉容器中200°C處理 480min后取出，洗滌至中性烘干研磨，制備得到低電阻率的多壁碳納米管粉體。
[0041] 步驟四參見圖4,碳納米管的表面包覆工藝：
[0042] 采用表面包覆工藝在經(jīng)過預(yù)處理的碳納米管表面沉積四硼酸鈉，使得四硼酸鈉能 夠在其表面達(dá)到均勻良好的厚度。
[0043] 步驟五真空熔煉工藝：
[0044] 在真空熔煉爐中熔化純鋁錠，所述真空熔煉爐使用真空度為5. 0X 10 2Pa，待純鋁 錠完全熔化后，在800°C溫度下保溫30min，加入制備得到的復(fù)合粉體含量為10%，施以攪 拌，攪拌速度為lOOOrpm，攪拌時(shí)間為lOmin，在700°C的溫度下完成澆鑄，制備得到碳納米 管鋁基復(fù)合材料。
[0045] 實(shí)施例2 :
[0046] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于，步驟一中所采用的碳納米管為單壁碳納米 管，管徑為2nm。
[0047] 實(shí)施例3 :
[0048] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于，步驟二所采用鹵族物質(zhì)為碘單質(zhì)。
[0049] 實(shí)施例4 :
[0050] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于，步驟三在經(jīng)過強(qiáng)光處理得到的復(fù)合粉體，強(qiáng) 光照射時(shí)長(zhǎng)為720min。
[0051] 實(shí)施例5:
[0052] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于，步驟三中粉體B和IC1混合比例為lg :1ml。
[0053] 實(shí)施例6 :
[0054] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于，步驟四中所沉積的物質(zhì)為氧化硼。
[0055] 實(shí)施例7 :
[0056] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于，步驟五在900°C溫度下加入制備得到的復(fù)合 粉體。
[0057] 實(shí)施例8 :
[0058] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于，步驟五中加入制備得到的復(fù)合粉體含量為 20%〇
[0059] 復(fù)合材料導(dǎo)電性對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)
[0061] 以上說明僅為本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范 圍，因此依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的等效變化，仍屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法，其特征在于，包含有如 下步驟： 碳納米管的氧化處理工藝： 采用原始的碳納米管，把其放入到馬弗爐或者其他高溫設(shè)備中進(jìn)行高溫氧化處理，去 除其表面的無定形碳及一些易高溫?fù)]發(fā)或分解的物質(zhì)，并使得原始碳納米管表面一些缺陷 位置重新生長(zhǎng)閉合，得到粉體A ; 碳納米管的酸洗浸泡工藝： 將經(jīng)過高溫氧化處理的碳納米管按照和酸溶液混合，施加攪拌后取出，將其洗滌至中 性后，得到可用于后續(xù)工藝的粉體B ; 碳納米管摻雜工藝： 將粉體B和能夠進(jìn)行摻雜鹵族元素的物質(zhì)進(jìn)行混合，此類物質(zhì)包括鹵族元素（氟、氯、 溴、碘）單質(zhì)或者其中幾種元素的混合物質(zhì)，后采取高溫或者強(qiáng)光照射處理在封閉容器中 反應(yīng)后取出，洗滌至中性烘干研磨，制備得到低電阻率的碳納米管粉體。 碳納米管的表面包覆工藝： 采用表面包覆工藝在經(jīng)過預(yù)處理的碳納米管表面沉積一種可以有效阻隔碳納米管團(tuán) 聚且增加其和鋁液潤(rùn)濕性的物質(zhì)，得到復(fù)合粉體，此類物質(zhì)為聚合物、硼化物、氧化物，可以 是聚乙二醇、聚乙烯醇、氧化硼、四硼酸鈉的一種或者以上任意組合。 真空熔煉工藝： 在真空熔煉爐中熔化純鋁錠，所述真空熔煉爐使用真空度為OPa~10 4Pa，待純鋁錠 完全熔化后，在660°C~1500°C溫度下保溫lOmin~lh，加入制備得到的復(fù)合粉體含量為 0· 1 %~50%，施以攬摔，攬摔速度為lOOrpm~4000rpm，攬摔時(shí)間為lmin~lh，在660°C~ 1500°C的溫度下完成澆鑄，制備得到碳納米管鋁基復(fù)合材料。2. 如權(quán)利要求1所述的利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征在于，所述的碳納米管的氧化處理工藝中，高溫氧化溫度為100-800°C，高溫氧化時(shí)間 為 5_300min。3. 如權(quán)利要求1所述的利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法， 其特征在于，所述的碳納米管的酸洗浸泡工藝中，酸溶液為鹽酸、硫酸和硝酸的一種或者 幾種的混合溶液，濃度為10% -80%，碳納米管和酸混合的時(shí)間為3-240min，攪拌速度為 100-1000rpm〇4. 如權(quán)利要求1所述的利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征在于，所述的碳納米管摻雜工藝中，碳納米管與鹵族物質(zhì)的比例控制在lg :〇. lml-lg : 5ml 〇5. 如權(quán)利要求1所述的利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方 法，其特征在于，所述的碳納米管摻雜工藝中，若摻雜反應(yīng)采取高溫處理則其反應(yīng)溫度為 50-300 °C，反應(yīng)時(shí)間為 30-720min。6. 如權(quán)利要求1所述的利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法， 其特征在于，所述的碳納米管摻雜工藝中，若摻雜反應(yīng)采取強(qiáng)光照射處理，其反應(yīng)時(shí)間為 30-1440min〇7. 如權(quán)利要求1所述的利用低電阻率碳納米管制備高導(dǎo)電率鋁基復(fù)合材料的方法，其 特征在于，所述的碳納米管為單壁碳納米管、多壁碳納米管和雙壁碳納米管中的任意一種 或兩種以上的任意組合，碳納米管管徑為lnm~lOOnm。
【文檔編號(hào)】C22C49/06GK106032563SQ201510106495
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月11日
【發(fā)明人】王利民, 單來支, 姚輝, 陳思敏, 廖晶, 湯超, 吳昊
【申請(qǐng)人】國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司, 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司