一種碳納米管金屬基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬復(fù)合材料的制備方法，特別涉及的是一種碳納米管金屬基復(fù) 合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料因兼有金屬和碳納米管的特點(diǎn)而具有獨(dú)特的物理 和化學(xué)性能，在航空航天器、精密機(jī)械、醫(yī)療器件等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，近年來得到越 來越多的材料學(xué)家的重視。然而碳納米管之間由于較強(qiáng)的范德華力而形成團(tuán)聚或纏繞，加 上碳納米管與金屬之間表面性質(zhì)差異顯著，導(dǎo)致碳納米管很難在金屬基體中均勻分散，正 是這個(gè)原因，粉末冶金、攪拌鑄造、熔體浸滲等傳統(tǒng)工藝制備的碳納米管金屬基復(fù)合材料， 其性能遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的效果。而另一方面，隨著碳納米管表面機(jī)械改性、化學(xué)改性、機(jī)械力 化學(xué)改性技術(shù)的日趨成熟，加之以表面活性劑及超聲分散的輔助，目前人們能夠制備碳納 米管均勻分散、且具有持久穩(wěn)定性的碳納米管水溶液或乙醇溶液。為此，近年來很多研究試 圖通過將金屬粉末加入到碳納米管溶液中，采用超聲分散、機(jī)械或磁力攪拌等方法使碳納 米管均勻分散到金屬粉末的表面。然而所得結(jié)果都不理想，原因在于金屬粉末的表面性質(zhì) 與碳納米管和溶劑差異很大、親和力差，加入到碳納米管溶液中的金屬粉末不但難于實(shí)現(xiàn) 均勻分散，而且還傾向于破壞碳納米管溶液中原有的平衡而使碳納米管重新團(tuán)聚。
[0003] 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，日本專利(JP2007077457-A)"金屬基力一求 于二一^複合材料及邙乇仍製造方法"（金屬基碳納米管復(fù)合材料及其制備方法)采用聚乙 烯醇作為分散劑制備碳納米管水溶液，采用水或乙醇作為溶劑制備金屬粉末料漿，然后將 二者混合進(jìn)行攪拌及超聲分散，干燥得到碳納米管與金屬粉末的復(fù)合壓坯，再經(jīng)熱壓處理 得到致密的復(fù)合材料。該方法的局限性在于，采用聚乙烯醇作為分散劑雖然有助于碳納米 管在水溶液中的均勻分散，但無法消除碳納米管與金屬粉末表面之間的性質(zhì)差異，碳納米 管與金屬表面之間的親和力差，在料漿共混及干燥過程中碳納米管傾向于彼此團(tuán)聚，導(dǎo)致 在所得的復(fù)合材料中碳納米管分散并不均勻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種碳納米管金屬基復(fù)合材料的制 備方法。本發(fā)明利用聚合物對(duì)金屬粉末進(jìn)行表面改性，并且對(duì)碳納米管進(jìn)行表面改性，使其 表面鍍有金，增強(qiáng)了金屬粉末碳納米管之間的親和力和界面結(jié)合作用，使其表面能夠從碳 納米管溶液中吸附碳納米管，從而得到碳納米管均勻分散復(fù)合粉末，然后再采用粉末冶金 工藝制備碳納米管金屬基復(fù)合材料的方法。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明先將金屬粉末加入到聚合物溶液中進(jìn)行表面包覆，然后將聚合物包覆金屬 粉末加入到碳納米管溶液中，所述碳納米管為表面鍍有金的碳納米管，使聚合物包覆金屬 粉末表面從碳納米管溶液中均勻吸附碳納米管，得到均勻分散的碳納米管金屬復(fù)合粉末， 然后再采用粉末冶金工藝，將所得復(fù)合粉末制成密實(shí)的碳納米管金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明 對(duì)碳納米管破壞性小，可保持其優(yōu)異特性，并可在1~8wt %的范圍內(nèi)調(diào)控復(fù)合材料中碳納 米管的質(zhì)量百分比。此外，本發(fā)明環(huán)境友好，具有規(guī)模化應(yīng)用潛力。
[0007] 本發(fā)明包括以下步驟：
[0008] (1)將所述碳納米管加入到水或有機(jī)溶劑中，制備碳納米管溶液；
[0009] (2)將所述聚合物加入到水或有機(jī)溶劑中，制備聚合物溶液；
[0010] (3)表面包覆聚合物:將所述的金屬粉末加入到所述的聚合物溶液中，即得到金屬 粉末和聚合物溶液料漿，持續(xù)攪拌至金屬粉末表面形成聚合物薄膜，然后進(jìn)行洗滌過濾，即 得到所述的聚合物包覆金屬粉末；
[0011] (4)表面吸附碳納米管:將所述的聚合物包覆金屬粉末加入到碳納米管溶液中，即 得到金屬粉末和碳納米管溶液料漿，持續(xù)攪拌直至碳納米管被吸附于聚合物包覆金屬粉末 的表面，然后進(jìn)行洗滌過濾、干燥處理和熱解處理，即得到均勻分散的碳納米管金屬復(fù)合粉 末。
[0012] (5)采用粉末冶金工藝，將所得碳納米管金屬復(fù)合粉末制成密實(shí)的碳納米管金屬 基復(fù)合材料，其中所述碳納米管為表面鍍有金的碳納米管。
[0013] 所述的金屬粉末選自鋁、銅、鎂、鈦、鎳或鐵中的一種或者至少兩種的混合物。所述 混合物例如鋁和銅的混合物，鋁和鎂的混合物，鋁和鈦的混合物，鋁和鎳的混合物，鋁和鐵 的混合物，銅和鎂的混合物，銅和鎳的混合物，銅和鐵的混合物，鋁、銅和鎂的混合物，鎂、鈦 和鎳的混合物，鋁、銅、鎂和鈦的混合物，銅、鎂、鎳和鐵的混合物。所述鋁、銅、鎂、鈦、鎳或銅 除指單質(zhì)外，也包括其合金。
[0014] 所述碳納米管表面金的含量為碳納米管含量的1~3%，小于1 %改性效果差，大于 3%，影響碳納米管本身效果的發(fā)揮。
[0015] 所述的有機(jī)溶劑選自N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或二甲基亞砜中的一 種或者至少兩種的混合物，優(yōu)選N，N-二甲基甲酰胺。所述混合物例如二甲基亞砜和N，N-二 甲基乙酰胺的混合物，N，N-二甲基乙酰胺和N，N-二甲基甲酰胺的混合物，二甲基亞砜和N， N-二甲基甲酰胺的混合物，二甲基亞砜、N，N-二甲基乙酰胺和N，N-二甲基甲酰胺的混合物。
[0016] 所述碳納米管溶液中碳納米管占碳納米管溶液的質(zhì)量百分比濃度為1.2~5wt%， 例如 1 · 5wt %、1 · 8wt %、2 · 1 wt %、2 · 4wt %、2 · 8wt %、3 · 2wt %、3 · 5wt %、4 · 2wt %、4 · 5wt %、 4.8wt% 〇
[0017] 所述的碳納米管溶液中，還包括有表面活性劑或/和消泡劑。
[0018] 所述的表面活性劑選自十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸酸鈉、十六烷基三甲基 溴化銨、曲拉通、殼聚糖、環(huán)式糊精、戊二醛或膽汁鹽中的一種或者至少兩種的混合物。所 述混合物例如膽汁鹽和戊二醛的混合物，環(huán)式糊精和殼聚糖的混合物，曲拉通和十六烷 基三甲基溴化銨的混合物，十二烷基苯磺酸酸鈉和十二烷基硫酸鈉的混合物，膽汁鹽、戊二 醛和β-環(huán)式糊精的混合物，殼聚糖、曲拉通和十六烷基三甲基溴化銨的混合物，十二烷基苯 磺酸酸鈉、十二烷基硫酸鈉、膽汁鹽和環(huán)式糊精的混合物。
[0019] 所述的消泡劑選自辛醇、磷酸三丁酯、聚二甲基硅氧烷或者聚醚中的一種或者至 少兩種的混合物。所述混合物例如聚醚和聚二甲基硅氧烷的混合物，磷酸三丁酯和辛醇的 混合物，聚醚、聚二甲基硅氧烷和磷酸三丁酯的混合物，辛醇、聚醚、聚二甲基硅氧烷和磷酸 三丁酯的混合物。
[0020] 所述聚合物溶液中聚合物占聚合物溶液的質(zhì)量百分比濃度為1~4wt%，例如 1.3wt % >1.6wt % >1.9wt % > 2.3wt % > 2.6wt % > 2.9wt % > 3.5wt % > 3.8wt % > 3.9wt % 〇
[0021] 優(yōu)選地，所述聚合物溶液中的聚合物選自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、 聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚酰胺、聚二甲基硅氧烷或者乙基纖維素中的一種或者 至少兩種的混合物。所述混合物例如乙基纖維素和聚二甲基硅氧烷的混合物，聚酰胺和聚 丙烯酰胺的混合物，聚丙烯酸和聚丙烯腈的混合物，聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇的混合物， 聚乙烯醇和聚丙烯酸的混合物，乙基纖維素、聚二甲基硅氧烷、聚酰胺和聚丙烯酰胺的混合 物，聚丙