一種制備碳納米管?石墨烯粉末復(fù)合增強(qiáng)錫鉛合金的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種錫鉛合金材料領(lǐng)域，特別是涉及一種制備碳納米管?石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法。錫鉛合金金屬熔體加熱到260℃，用氬氣將超細(xì)碳納米管?石墨烯干粉吹入錫鉛合金熔體中，氣體壓力0.1Mpa，氣體流量0.05 m3/Min，時(shí)間10分鐘，混合粉末加入量為錫金屬熔體重量的5%，再進(jìn)行變質(zhì)處理和精煉處理，最終獲得碳納米管?石墨烯粉末復(fù)合增強(qiáng)錫鉛合金。碳納米管?石墨烯粉末復(fù)合增強(qiáng)錫鉛合金材料的耐磨性、強(qiáng)度和性顯著提高，同時(shí)組織穩(wěn)定性好，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能得到有效提高。
【專利說明】
一種制備碳納米管-石墨烯粉末復(fù)合増強(qiáng)錫鉛合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種錫鉛合金材料領(lǐng)域，特別是涉及一種制備碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]錫鉛合金的一個(gè)重要用途是用做錫鉛焊料，以錫鉛合金為主，有的錫焊料還含少量的銻。含鉛38.1%的錫合金俗稱焊錫，熔點(diǎn)約183°C，用于電器儀表工業(yè)中元件的焊接，以及汽車散熱器、熱交換器、食品和飲料容器的密封等。錫鉛合金在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是作為錫鉛焊料，通過錫鉛焊料對(duì)各種元件進(jìn)行連接成型，但是連接結(jié)合部存在力學(xué)性能差的問題。近年來隨著開發(fā)高端機(jī)電產(chǎn)品的要求，對(duì)錫焊合金的力學(xué)性能的要求需要進(jìn)一步提高，粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料能夠同時(shí)發(fā)揮錫焊合金基體與增強(qiáng)相的優(yōu)勢(shì)，顯著提高錫鉛合金的強(qiáng)度、彈性模量、硬度及耐磨性。同時(shí)粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料因其成本低廉，強(qiáng)度、剛度高，在先進(jìn)制造等現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]基于上述目的，采用在錫焊合金中添加無毒、無污染的碳納米管-石墨烯粉末來增強(qiáng)錫焊合金材料的強(qiáng)度，獲得良好的韌性和硬度，同時(shí)，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能得到有效提高。本發(fā)明基體材料錫鉛合金的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比為:鉛Pb:37-42，剩余成份為錫Sn。目前我國現(xiàn)有的錫鉛合金在專利94120102.3中，為了提高連接強(qiáng)度該錫鉛合金的成份中含有
0.1-5%的銀和0.1-5%的銻元素。在專利00115593.8中，也是含有銻、銀、鉍、混合稀土等貴金屬，雖然能提高錫鉛合金材料的韌性、硬度和耐磨性，但是增加了錫鉛合金的熔煉成本，同時(shí)，要達(dá)到更高的強(qiáng)度和耐磨性，需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。本發(fā)明提出了一種加工工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低廉、無污染排放、可在常規(guī)熔煉條件下組織生產(chǎn)的碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法，較傳統(tǒng)的錫鉛合金材料的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性大幅提升。因此，在本發(fā)明中通過添加碳納米管-石墨烯粉末達(dá)到增強(qiáng)錫鉛合金材料力學(xué)性能的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種加工工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低廉、無污染排放、可在常規(guī)熔煉條件下組織生產(chǎn)的碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法，較傳統(tǒng)的錫鉛合金材料的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性大幅提升。
[0005]本發(fā)明專利的技術(shù)方案是:本發(fā)明是一種碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法。
[0006]首先制備配碳納米管粉末，下列金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H2O的硝酸鹽溶液，其成分配比均為1:1:1:1:1:1:11。將上述硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液混合，按質(zhì)量1:1:1比例混合均勻，將沉淀物進(jìn)行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于5500C，煅燒18小時(shí)，然后在球磨機(jī)中球磨為20μπι的超細(xì)粉末為反應(yīng)催化劑，將上述方法制備的粉末置于鋼反應(yīng)器中，向鋼反應(yīng)器中吹入體積比為9:1的丙烯和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量為0.4 m3/Min，氮?dú)鉃橄♂寗糜谡{(diào)節(jié)反應(yīng)速度及粉末生長速度。反應(yīng)溫度為660°C，反應(yīng)時(shí)間為60 Min，制得碳納米管干粉，將干粉經(jīng)過球磨24小時(shí)獲得超細(xì)碳納米管干粉。
[0007]其次制備石墨烯粉末，將丙氨酸、石墨粉按照質(zhì)量1:1比例混合均勻，球磨24小時(shí)得到混合均勻的混合粉末，在球磨過程中，利用丙氨酸將石墨粉剝離得到石墨烯。將石墨烯與丙氨酸混合粉末分散于乙醇溶液，將丙氨酸溶解;過濾，得到石墨烯濕粉；以及將所述石墨烯濕粉置于真空干燥箱中于130°C，烘干18小時(shí)，制得石墨烯干粉，將石墨烯干粉經(jīng)過球磨24小時(shí)獲得超細(xì)石墨烯干粉。
[0008]最后，將碳納米管粉末和石墨烯粉末照質(zhì)量I: I配比混合均勻，制得碳納米管-石墨烯粉末。通過氬氣將超細(xì)碳納米管-石墨烯干粉吹入錫鉛合金熔體中，生成增強(qiáng)粉末，再經(jīng)過機(jī)械化混合攪拌、變質(zhì)處理、精煉、澆注，即獲得碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料。
[0009]上述制備方法中金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H2O的硝酸鹽溶液，其成分配比均為I:l:l:l:l:l:llo
[0010]上述制備方法中硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液按照質(zhì)量I: 1:1比例混合均勻，將沉淀物進(jìn)行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時(shí)，然后在球磨機(jī)中球磨為20μπι的超細(xì)粉末為反應(yīng)催化劑。
[0011 ]上述制備方法中的上述制備方法中的錫鉛合金熔體的溫度必須控制在280 0C以下，防止石墨烯在金屬熔體中分解。
[0012]上述制備方法中將石墨烯與丙氨酸混合粉末分散于無水乙醇并攪拌均勻，通過超聲振蕩處理5分鐘-10分鐘后，將丙氨酸溶解，繼續(xù)超聲振蕩處理10分鐘-50分鐘，過濾，得到石墨烯濕粉。
[0013]上述制備方法中丙氨酸、石墨粉按照質(zhì)量1:1比例混合均勻，球磨24小時(shí)得到到混合均勻的混合粉末，在球磨過程中，利用丙氨酸將石墨粉剝離得到石墨烯。
[0014]上述制備方法中的氣體為氬氣，氣體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量0.02-
0.15m3/Min。氬氣為稀釋劑，用于調(diào)節(jié)反應(yīng)速度及顆粒生長速度。
[0015]碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法，錫鉛合金熔體的溫度180-260°C。反應(yīng)生成增強(qiáng)粉末的時(shí)間為10-60分鐘，粉末含量要求越高反應(yīng)生成增強(qiáng)粉末的時(shí)間越長。
[0016](I)反應(yīng)增強(qiáng)相為熔體狀態(tài)下合成的碳納米管-石墨烯顆粒，在熔體狀態(tài)下與錫鉛合金恪體充分反應(yīng)與結(jié)合。
[0017]增強(qiáng)顆粒的尺寸為0.1-1μπι。通過對(duì)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、混合氣體的組成等進(jìn)行相關(guān)調(diào)節(jié)，可以控制反應(yīng)生成增強(qiáng)粉末的組成、粉末尺寸、數(shù)量及分布，從而滿足不同部位的使用要求。
[0018]本發(fā)明的基體使用合金的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比為:鉛Pb:37_42，剩余成份為錫Sn?？梢酝ㄟ^上述成分要求進(jìn)行熔煉。在錫鉛合金基體材料在電阻加熱坩禍爐內(nèi)熔煉，最終可獲得強(qiáng)度、韌性和硬度大幅提升的錫鉛合金材料。
[0019]該碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料無需專用設(shè)備(無需采用真空熔煉爐、高溫高壓等設(shè)備)，在常規(guī)錫鉛合金廠即可組織生產(chǎn)，將熔煉后的錫金屬熔體直接澆入預(yù)先制備好的鑄型內(nèi)，冷卻后制成假牙，本發(fā)明投資少，見效快，能快速收回投資成本。
[0020]與現(xiàn)有錫鉛合金技術(shù)相比，碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)耐磨性、強(qiáng)度和性顯著提高，間隔2小時(shí)澆注試樣的力學(xué)性能差小于6%，這將有利于大批量、小尺寸材料的穩(wěn)定生產(chǎn)。增強(qiáng)粉末尺寸細(xì)小，分布均勻，組織穩(wěn)定性高，表面無污染，與在錫鉛合金基體結(jié)合良好。材料的室溫力學(xué)性能和耐磨性能顯著提高，尤其適合于電器儀表工業(yè)中的元件等方面的應(yīng)用。
[0021](2)組織穩(wěn)定性好，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能得到有效提高，同時(shí)，不會(huì)分解有毒氣體或溶解物，本發(fā)明因增強(qiáng)粉末是在是在錫鉛合金熔體中反應(yīng)生成，解決了外加粉末與錫金屬基體潤濕性差、易發(fā)生界面反應(yīng)以及組織穩(wěn)定性差等問題。因生成的粉末尺寸小，因比重差導(dǎo)致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性高。
【附圖說明】
[0022]下面是結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)地說明。
[0023]圖1獲得碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的試樣的光學(xué)微觀組織照片；
圖2獲得碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0024]從圖1所示的碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金光學(xué)照片可以看出碳納米管-石墨烯粉末均勻的分布在試樣中，在錫鉛合金的基體中包含著均勻的碳納米管-石墨烯粉末，能夠大大提高錫鉛合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能。從圖2所示的碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，強(qiáng)度較傳統(tǒng)試樣提高51.6%。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面給出本發(fā)明的最佳實(shí)施例:根據(jù)化學(xué)成分范圍，在電阻加熱坩禍爐內(nèi)熔煉本發(fā)明錫鉛合金。本發(fā)明錫鉛合金基體材料的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比為:鉛Pb:37_42，剩余成份為錫Sn。待其融化并過熱到2450C，扒渣，變質(zhì)、精煉、澆注鑄型;將金屬熔體加熱到260°C，用氬氣將超細(xì)碳納米管-石墨烯干粉吹入錫鉛合金熔體中，氣體壓力0.1Mpa，氣體流量0.05m3/Min，時(shí)間10分鐘，混合粉末加入量為錫金屬熔體重量的5%，再進(jìn)行變質(zhì)處理和精煉處理，澆注鑄型，再保溫，并分別于20分、80分澆注鑄型。然后進(jìn)行T6處理，并進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料抗拉強(qiáng)度為60.15Mpa，布氏硬度32，腐蝕性能:失重比例為0.01719%，成本為3元/Kg ο如保溫80分鐘后室溫抗拉強(qiáng)度58.16 Mpa，布氏硬度31，腐蝕性能:失重比例為0.01724%，成本為3元/Kg。由此可見同時(shí)本發(fā)明碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的價(jià)格雖然略高于傳統(tǒng)錫鉛合金，但是本發(fā)明材料的抗拉強(qiáng)度，耐磨性、尤其硬度和組織穩(wěn)定性都顯著提高，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性好，便于大批量生產(chǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種制備碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征是將將納米管粉末和石墨烯粉末照質(zhì)量1:1配比混合均勻，制得納米管-石墨烯粉末，通過氬氣將超細(xì)碳納米管-石墨烯干粉吹入錫鉛合金熔體中，生成增強(qiáng)粉末，再經(jīng)過機(jī)械化混合攪拌、變質(zhì)處理、精煉、澆注，即獲得納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料； (1)碳納米管粉末的制備:下列金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H2O的硝酸鹽溶液，其成分配比均為1:1:1:1:1:1:11，將上述硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液混合，按質(zhì)量I: 1:1比例混合均勻，將沉淀物進(jìn)行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時(shí)，然后在球磨機(jī)中球磨為20μπι的超細(xì)粉末為反應(yīng)催化劑，將上述方法制備的粉末置于鋼反應(yīng)器中，向鋼反應(yīng)器中吹入體積比為9:1的丙烯和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量為0.4 m3/Min，氮?dú)鉃橄♂寗?，用于調(diào)節(jié)反應(yīng)速度及粉末生長速度，反應(yīng)溫度為660°C，反應(yīng)時(shí)間為60 Min，制得碳納米管干粉，將干粉經(jīng)過球磨24小時(shí)獲得超細(xì)碳納米管干粉； (2)其次制備石墨烯粉末，將丙氨酸、石墨粉按照質(zhì)量1:1比例混合均勻，球磨24小時(shí)得到混合均勻的混合粉末，在球磨過程中，利用丙氨酸將石墨粉剝離得到石墨烯，將石墨烯與丙氨酸混合粉末分散于乙醇溶液，將丙氨酸溶解;過濾，得到石墨烯濕粉；以及將所述石墨烯濕粉置于真空干燥箱中于130 °C，烘干18小時(shí)，制得石墨烯干粉，將石墨烯干粉經(jīng)過球磨24小時(shí)獲得超細(xì)石墨烯干粉。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征在于硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液按照質(zhì)量I: 1:1比例混合均勻，將沉淀物進(jìn)行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時(shí)，然后在球磨機(jī)中球磨為20μπι的超細(xì)粉末為反應(yīng)催化劑。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征在于錫鉛合金熔體的溫度必須控制在280°C以下，防止石墨烯在金屬熔體中分解。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征在于石墨烯與丙氨酸混合粉末分散于無水乙醇并攪拌均勻，通過超聲振蕩處理5分鐘-10分鐘后，將丙氨酸溶解，繼續(xù)超聲振蕩處理10分鐘-50分鐘，過濾，得到石墨烯濕粉。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征在于丙氨酸、石墨粉按照質(zhì)量1:1比例混合均勻，球磨24小時(shí)得到到混合均勻的混合粉末，在球磨過程中，利用丙氨酸將石墨粉剝離得到石墨烯。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征在于向鋼反應(yīng)器中吹入的氣體為氬氣，氣體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量0.02-0.15m3/Min，氬氣為稀釋劑，用于調(diào)節(jié)反應(yīng)速度及顆粒生長速度。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管-石墨烯粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征在于錫鉛合金熔體的溫度180-260°C，反應(yīng)生成增強(qiáng)粉末的時(shí)間為10-60分鐘，粉末含量要求越高反應(yīng)生成增強(qiáng)粉末的時(shí)間越長。
【文檔編號(hào)】C22C1/10GK106048285SQ201610439534
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】徐淑波, 張小東, 李振東
【申請(qǐng)人】山東建筑大學(xué)