專利名稱：制造納米碳－金屬?gòu)?fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造由納米碳材料和金屬基體材料構(gòu)成的納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
近來(lái)，稱作納米碳纖維的特殊碳纖維已經(jīng)得到了重視。納米碳纖維是形狀類似于圓柱形彎曲片材的物質(zhì)，其中碳原子以六邊形網(wǎng)格排列，并且具有1.0-150nm(納米)直徑和幾至100μm長(zhǎng)度。這些物質(zhì)被稱作例如納米碳纖維或納米碳管(下文稱作納米碳材料)，因?yàn)樗麄兙哂屑{米尺寸的直徑。
納米碳材料包括高熱導(dǎo)率的材料以及增強(qiáng)材料，并且可改進(jìn)其中混合的金屬材料的熱導(dǎo)率。
當(dāng)納米碳材料沿著熱傳導(dǎo)的方向延伸時(shí)，它們具有改進(jìn)的熱導(dǎo)率。因此，JP-A-2004-131758提出了一種方法，其中納米碳材料以一定方向排列。
現(xiàn)在將參考圖5來(lái)描述所提出的方法。圖5顯示了冷卻滾筒101、圍繞該冷卻滾筒101形成的凹槽102、容器103、熔融材料104、凝固材料105、軋機(jī)106和切割機(jī)107。
通過(guò)在熔融鋁中混合納米碳材料制備的熔融材料104由其容器103以恒定流速進(jìn)料到冷卻滾筒101上的凹槽102中。冷卻滾筒101以高速度旋轉(zhuǎn)，其外圓周速率高于熔融材料104的流速。
因此，熔融材料104沿著凹槽102拉伸，并且納米碳材料以該熔融材料拉伸的方向來(lái)取向。同時(shí)，其冷卻并凝固為凝固材料105。
凝固材料105通過(guò)軋機(jī)106輥軋，并且通過(guò)切割機(jī)107切割，生成桿狀材料108。該桿狀材料108具有0.1-2.0mm的厚度。桿狀材料108的熱導(dǎo)率通過(guò)沿其長(zhǎng)度方向取向的納米碳材料而沿其長(zhǎng)度方向急劇增加。
然而，為了制備熔融材料104，消耗了大量的熱能來(lái)加熱鋁至其熔點(diǎn)。
如果冷卻滾筒101旋轉(zhuǎn)太快，熔融材料104被撕扯，并且如果旋轉(zhuǎn)太慢，納米碳材料則不會(huì)均勻地取向。因此，冷卻滾筒101的旋轉(zhuǎn)速度難以控制。在冷卻滾筒101上冷卻的熔融材料104的凝固由其表面向其中心進(jìn)行。當(dāng)含有外來(lái)物質(zhì)的材料由其表皮向其中心凝固時(shí)，外來(lái)物質(zhì)(在本發(fā)明的上下文中為納米碳纖維)趨向于在中心聚集。因此，納米碳纖維在分布上不具有均勻性，并且產(chǎn)生較低強(qiáng)度的復(fù)合材料產(chǎn)品。產(chǎn)品表皮中納米碳材料的缺乏降低了其表面硬度和耐磨損性。
因此，熔融材料104通過(guò)冷卻滾筒101牽引的該已知方法需要改進(jìn)冷卻滾筒旋轉(zhuǎn)速度的控制和產(chǎn)品的表面硬度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料的方法，其包括以下步驟將納米碳材料和金屬基體材料混合，擠壓他們的混合物形成壓實(shí)體，用熔點(diǎn)高于所述金屬材料的材料包覆所述壓實(shí)體，在惰性或非氧化性氣氛中加熱經(jīng)包覆的壓實(shí)體至金屬材料的固相和液相能共存的溫度范圍內(nèi)的溫度，對(duì)經(jīng)加熱的壓實(shí)體施加壓力以通過(guò)塑性形變形成初級(jí)模塑產(chǎn)品，以及擠出模塑該初級(jí)模塑產(chǎn)品以制造納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料。
在本發(fā)明方法中，納米碳材料通過(guò)擠出模塑在一個(gè)方向上取向。經(jīng)包覆的壓實(shí)體被加熱到至固相和液相能共存的溫度范圍內(nèi)的溫度。所述方法不包括任何熔化金屬材料的步驟，但是實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的節(jié)省能量。
在所述混合、擠壓形成、包覆、加熱、塑性形變和擠出步驟的任何之一中都不需要復(fù)雜的操作技能，例如旋轉(zhuǎn)速度控制。在形成初級(jí)模塑產(chǎn)品的步驟中，加熱至固相和液相能共存的溫度范圍內(nèi)溫度的經(jīng)包覆的壓實(shí)體的塑性形變使得金屬基體材料產(chǎn)生富金屬液相，在該液相中分散有納米碳材料。這可在金屬材料中均勻地分散納米碳材料，從而生成高機(jī)械強(qiáng)度的納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料。
金屬材料在擠出模塑之前凝固，并且限制納米碳材料的移動(dòng)。不存在納米碳材料從模塑產(chǎn)品表皮向其中心的移動(dòng)。因此，可制造一種納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料，其在表皮中含有足夠大量的納米碳材料，并且因此具有改進(jìn)耐磨損性的表面。
因此，在制造以一個(gè)方向取向的納米碳材料的方法中，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)提高的表面硬度以及能量節(jié)省。
金屬基體材料優(yōu)選為碎片的形式。因?yàn)樗槠枪腆w小片，因此相對(duì)于他們的質(zhì)量而具有相對(duì)小的表面積。小表面積意味著少量表面氧化形成少量的氧化物淤泥。僅少量的氧化物淤泥的形成確保高純度納米碳—金屬材料的制造。
金屬基體材料優(yōu)選為熔點(diǎn)不超過(guò)660℃的低熔點(diǎn)金屬或合金。低熔點(diǎn)金屬或合金容易進(jìn)料至模鑄機(jī)中。因此，本發(fā)明可制造容許大范圍應(yīng)用的納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料。
低熔點(diǎn)金屬或合金優(yōu)選為鎂或鎂合金。因?yàn)殒V或鎂合金是輕金屬或合金，其與納米碳材料的結(jié)合提供的結(jié)構(gòu)材料重量輕且在強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐磨損性方面突出。
包覆材料優(yōu)選為鋁或鋁合金。用熔點(diǎn)高于形成基體的鎂或鎂合金熔點(diǎn)的鋁或鋁合金對(duì)壓實(shí)體的包覆保護(hù)了前者不受氧化。此外，使用常用并且容易購(gòu)得的材料鋁或鋁合金實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本的降低。


本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案將參考附圖來(lái)描述。
圖1A-1C所示為本發(fā)明方法的混合和壓實(shí)形成步驟；圖2A-2C所示為本發(fā)明方法的加熱步驟；圖3A-3C所示為本發(fā)明方法的塑性形變步驟；圖4A-4C所示為本發(fā)明方法的擠出步驟；圖5所示為用于制造納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料的公知裝置。
具體實(shí)施例方式
首先參照?qǐng)D1A-1C來(lái)描述本發(fā)明方法的混合及壓實(shí)形成步驟。如圖1A所示，納米材料11和通過(guò)切割金屬塊制備的金屬基體材料12放置在容器13中，并通過(guò)棒14完全混合。金屬基體材料12例如為鎂合金。如圖1B所示，通過(guò)完全混合而得到的混合物15被轉(zhuǎn)移到鋁罐16中。如圖1C所示，鋁罐16放置在基底17上并且被模具18圍繞。然后沖頭19移動(dòng)到鋁罐中以壓實(shí)混合物15。經(jīng)壓實(shí)的混合物稱為壓實(shí)體21。
參照?qǐng)D2A-2C來(lái)描述本發(fā)明方法的加熱步驟。如圖2A所示，壓實(shí)體21用熔點(diǎn)高于金屬基體材料12(圖1A)的金屬材料包覆，從而受保護(hù)而不氧化。具體而言，當(dāng)金屬基體材料是由鎂合金構(gòu)成時(shí)，使用具有較高熔點(diǎn)的鋁材料作為包覆材料。更具體而言，鋁罐16突出壓實(shí)體21的那部分被切除。然后，鋁片22被放置在壓實(shí)體21的頂部上。得到壓實(shí)體21包覆有金屬材料(鋁罐16和鋁片22)的經(jīng)包覆的壓實(shí)體，所述金屬材料的熔點(diǎn)高于金屬基體材料12。
當(dāng)為避免經(jīng)包覆的壓實(shí)體23在下次處理之前的某些時(shí)間內(nèi)氧化，經(jīng)包覆的壓實(shí)體23被儲(chǔ)存在非氧化罐26中，該非氧化罐通過(guò)抽空裝置24抽空，并且填充有來(lái)自氬氣容器25的氬氣，如圖2B所示。氬氣是惰性氣體并且有效防止氧化。
然后，經(jīng)包覆的壓實(shí)體23被放置在加熱爐28中，將非氧化性氣體(例如二氧化碳和六氟化硫的混合物)通過(guò)充氣管29吹入爐28中，如圖2C所示。壓實(shí)體23加熱到金屬基體材料12(圖1A)的固相和液相能共存的溫度范圍內(nèi)的溫度。
參照?qǐng)D3A-3C描述本發(fā)明方法的塑性形變步驟。以下描述是壓合機(jī)30用于塑性形變的情況，但可通過(guò)交替使用軋機(jī)或鍛造機(jī)。
壓合機(jī)30具有基底31、模具32及沖頭33，用于擠壓經(jīng)包覆的壓實(shí)體23，如圖3A所示。經(jīng)包覆的壓實(shí)體23在高度上降低，而在直徑上增加，如圖3B所示。然后，鋁罐16和鋁片22由經(jīng)包覆的壓實(shí)體23除去，得到初級(jí)模塑產(chǎn)品35，如圖3C所示。當(dāng)加熱到金屬基體材料的固相和液相能共存的溫度范圍內(nèi)溫度的經(jīng)包覆的壓實(shí)體23進(jìn)行塑性形變而形成初級(jí)模塑產(chǎn)品35時(shí)，富金屬液相滲出金屬基體材料，并且使納米碳材料分散在其中。
參照?qǐng)D4A-4C，描述本發(fā)明方法的擠出步驟。圖4A所示為具有擠出通道36和推桿38的包括容器37的擠出機(jī)39。所述容器37加熱到合適的溫度，并且初級(jí)模塑產(chǎn)品放置在容器37中。然后，推桿38如箭頭所示向下移動(dòng)，從而使初級(jí)模塑產(chǎn)品35通過(guò)擠出通道36擠出，形成納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料40。納米碳—金屬?gòu)?fù)合材料40在其表面41中帶有以擠出方向取向的納米碳材料11，如圖4C所示。含有令人滿意的大量的納米碳材料11的表面41具有改進(jìn)的耐磨損性。
實(shí)施例本發(fā)明將通過(guò)幾個(gè)實(shí)施例來(lái)描述，但這些實(shí)施例并不試圖限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
1.實(shí)驗(yàn)中所用的納米碳材料直徑為1.0-150nm、長(zhǎng)度為100μm的納米碳纖維(以下簡(jiǎn)寫為CNF)。
2.實(shí)驗(yàn)中使用的金屬基體材料鎂合金模鑄(JIS H 5303 MDC1D)碎片(以下簡(jiǎn)寫為MD1D)。
3.混合步驟3.1.混合比01號(hào)樣品5vol％CNF/95vol％MD1D02號(hào)樣品5vol％CNF/95vol％MD1D03號(hào)樣品10vol％CNF/90vol％MD1D04號(hào)樣品10vol％CNF/90vol％MD1D05號(hào)樣品15vol％CNF/85vol％MD1D06號(hào)樣品15vol％CNF/85vol％MD1D4.包覆步驟(用于01-06號(hào)樣品)使用鋁罐和鋁箔來(lái)包覆。
5.加熱步驟(用于01-06號(hào)樣品)加熱溫度585℃加熱時(shí)間30分鐘預(yù)定固相比約40％6.塑性形變步驟(用于01-06號(hào)樣品)壓力100MPa7.擠出步驟(用于02號(hào)樣品、04和06)容器溫度300℃
擠出比(容器的內(nèi)橫截面積/孔面積)＝256/16推桿速度8或16mm/s8.結(jié)果對(duì)01-06號(hào)樣品的熱導(dǎo)率和耐壓強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果如下表所示。
表1


○實(shí)施×未實(shí)施01和02號(hào)樣品都是5vol％CNF和95vol％MD1D的組合。未實(shí)施擠出步驟的01號(hào)樣品顯示熱導(dǎo)率僅為42.2W/m·K，已實(shí)施擠出步驟的02號(hào)樣品的熱導(dǎo)率升高到47.0W/m·K。比較他們的耐壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)了相似的趨勢(shì)。未實(shí)施擠出步驟的01號(hào)樣品顯示耐壓強(qiáng)度僅為369MPa，已實(shí)施擠出步驟的02號(hào)樣品的耐壓強(qiáng)度升高到378MPa。
03和04號(hào)樣品都是10vol％CNF和90vol％MD1D的組合。未實(shí)施擠出步驟的03號(hào)樣品顯示熱導(dǎo)率僅為43.2W/m·K，已實(shí)施擠出步驟的04號(hào)樣品的熱導(dǎo)率升高到50.7W/m·K。比較他們的耐壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)了相似的趨勢(shì)。未實(shí)施擠出步驟的03號(hào)樣品顯示耐壓強(qiáng)度僅為384MPa，已實(shí)施擠出步驟的04號(hào)樣品的耐壓強(qiáng)度升高到393MPa。
05和06號(hào)樣品都是15vol％CNF和85vol％MD1D的組合。未實(shí)施擠出步驟的05號(hào)樣品顯示熱導(dǎo)率僅為46.0W/m·K，已實(shí)施擠出步驟的06號(hào)樣品的熱導(dǎo)率升高到52.8W/m·K。比較他們的耐壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)了相似的趨勢(shì)。未實(shí)施擠出步驟的05號(hào)樣品顯示耐壓強(qiáng)度僅為356MPa，已實(shí)施擠出步驟的06號(hào)樣品的耐壓強(qiáng)度升高到361MPa。
上述結(jié)果表明擠出步驟導(dǎo)致熱導(dǎo)率和耐壓強(qiáng)度的增加。它們的增加本身顯然是由于納米碳材料通過(guò)擠出步驟的取向。
在一些樣品上進(jìn)行磨損試驗(yàn)以評(píng)估它們的耐磨損性。由03和04號(hào)樣品分別制備具有8mm直徑和球形端半徑為70mm的柱狀試驗(yàn)試樣。然后將球形端用200N的壓力固定于S45C碳鋼的摩擦片上，并且以1m/s的滑動(dòng)速度沿著10,000m的滑動(dòng)距離往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)樣品部分磨損，并且geographically計(jì)算其磨損量。結(jié)果顯示于下表中表2

○實(shí)施 ×未實(shí)施03和04號(hào)樣品都是10vol％CNF和90vol％MD1D的組合。未實(shí)施擠出步驟的03號(hào)樣品顯示5mm3大的磨損量，已實(shí)施擠出步驟的04號(hào)樣品顯示4mm3小的磨損量。較小量的磨損意味著較高的耐磨損性，表明擠出步驟導(dǎo)致了改進(jìn)的耐磨損性。
除了熔點(diǎn)約650℃的鎂和鎂合金，作為金屬基體材料可使用熔點(diǎn)約660℃的鋁或鋁合金、熔點(diǎn)約232℃的錫或錫合金、熔點(diǎn)約237℃的鉛或鉛合金。換句話說(shuō)，可使用任何熔點(diǎn)不超過(guò)660℃的低熔點(diǎn)金屬或合金。
權(quán)利要求
1.一種制造納米碳-金屬?gòu)?fù)合材料的方法，其包括以下步驟將納米碳材料和金屬基體材料混合；擠壓它們的混合物形成壓實(shí)體；用熔點(diǎn)高于所述金屬材料熔點(diǎn)的材料包覆所述壓實(shí)體；在惰性或非氧化性氣氛中加熱經(jīng)包覆的壓實(shí)體至所述金屬材料的固相和液相能共存的溫度范圍內(nèi)的溫度；對(duì)所述經(jīng)加熱的壓實(shí)體施加壓力以通過(guò)塑性形變形成初級(jí)模塑產(chǎn)品；以及擠出模塑所述初級(jí)模塑產(chǎn)品以制造納米碳-金屬?gòu)?fù)合材料。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬材料為碎片形式。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬材料由熔點(diǎn)為660℃或以下的低熔點(diǎn)金屬或合金構(gòu)成。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述低熔點(diǎn)金屬或合金是鎂或鎂合金。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述包覆材料是鋁或鋁合金。
全文摘要
一種由納米碳材料和金屬基體材料構(gòu)成的復(fù)合材料被擠出模塑，使得該納米材料在一個(gè)方向上取向。
文檔編號(hào)C22C49/14GK1869262SQ200610084529
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者菅沼雅資, 加藤敦史, 鐮土重晴, 對(duì)馬大介 申請(qǐng)人:日精樹(shù)脂工業(yè)株式會(huì)社, 國(guó)立大學(xué)法人長(zhǎng)岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)