專利名稱：一種鐵三鋁金屬間化合物－碳納米管復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵三鋁基復(fù)合材料及其制備方法，尤其涉及一種鐵三鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料及其制備方法。屬于復(fù)合材料科學(xué)與納米材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Fe3Al基金屬間化合物具有良好的高溫強度，優(yōu)異的抗氧化耐腐蝕性，較小的比重和低廉的成本等優(yōu)點，有望作為一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料而受到廣泛重視，然而室溫環(huán)境下的脆性和溫度超過600℃時強度急劇下降阻礙了其實際應(yīng)用。為此許多研究者試圖通過添加第二相來解決成型及應(yīng)用問題。近年來，人們采取合金化如添加Cr，Mo，Nb，W等合金元素以及用合適的熱機械處理工藝使Fe3Al合金的室溫塑性和高溫強度得到明顯改善。此外，通過合成陶瓷增強顆?？梢詮浹a合金的高溫強度低的不足，用反應(yīng)鑄造法制備了含VC，TiC顆粒的Fe3Al基合金。合金化和陶瓷相的加入在一定程度上改善Fe3Al合金的綜合性能，即使如此，在某些苛刻條件應(yīng)用時，仍是現(xiàn)有的材料組成無法滿足的。專利號為98110195.X的中國專利“鐵鋁金屬間化合物-氧化鋁陶瓷復(fù)合材料及其制備工藝”公開了一種主要成分為Fe3Al、FeAl、Al2O3的金屬間化合物基復(fù)合材料，其抗彎強度和斷裂韌性均得到改善。
碳納米管在1991年被發(fā)現(xiàn)，具有較高的強度、彈性模量，被認(rèn)為是理想的補強增韌材料。但是，經(jīng)檢索以碳納米管為增強體，鐵三鋁金屬間化合物為基體來制備復(fù)合材料的方法還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的問題是提供一種鐵三鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料及其制備方法，利用該方法可以制備高強度、高韌性的納米復(fù)合材料。
本發(fā)明涉及的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料，由鐵鋁金屬間化合物，碳納米管組成；其組分以重量百分比(wt％)計碳納米管為1％～5％，余量為鐵鋁金屬間化合物。
其中，所述各組分含量的重量百分比優(yōu)選是碳納米管為2％～3％，余量為鐵鋁金屬間化合物。
其中，所述各組分含量的重量百分比最優(yōu)選是碳納米管為2％，鐵鋁金屬間化合物為98％。
其中，所述碳納米管優(yōu)選為多壁型。
本發(fā)明所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料的制備方法，其步驟如下(1)以質(zhì)量百分比計，將Fe∶Al＝84∶16的鑄錠，在蒸發(fā)電流為80A，蒸發(fā)室氣體壓強為8Kpa條件下，利用氫電弧等離子體法制得Fe3Al納米粉體；(2)稱取質(zhì)量百分比為95％～99％的Fe3Al納米粉體，與分子量為13000克/摩爾、質(zhì)量百分比濃度為0.1％的聚甲基丙烯酸胺的水溶液混合；用濃度為1mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，使pH值為8.0，此時Zeta-電位為0mV；所得混合液備用；(3)稱取質(zhì)量百分比為1％～5％碳納米管與濃度為300mg/L的聚乙烯亞胺水溶液混合，同樣調(diào)節(jié)pH值，使PH值也調(diào)為8.0，此時Zeta-電位為-40mV；所得混合液備用；(4)將步驟(2)和(3)所得混合液分別進行常規(guī)超聲分散；(5)然后用步驟(2)所得混合液滴定步驟(3)所得混合液，直至滴到PH值為12～13且不再變化；此時在靜電引力的作用下形成復(fù)合粉體；(6)將上述復(fù)合粉體以真空度為10-3Pa，溫度為600℃～700℃，熱處理6～8小時，充分干燥；(7)將步驟(6)所得復(fù)合粉體在20℃～25℃，壓力為170MPa～190MPa進行冷壓成型；(8)將冷壓成型的坯體裝入石墨模具中，在溫度為1150℃～1350℃，壓力為10MPa～35Mpa，保護氣體為H2或N2條件下，熱壓燒結(jié)制得鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料。
上述步驟(1)所述Fe∶Al是指分析純鐵粉與分析純鋁粉的比，其中，鐵粉與鋁粉的原子比是3∶1。
上述步驟(3)所述碳納米管的稱取量優(yōu)選是質(zhì)量百分比為2％～3％。
上述步驟(5)所述PH值優(yōu)選為12.5。
上述步驟(8)所述燒結(jié)溫度優(yōu)選為1200℃，壓力優(yōu)選為18MPa～30Mpa。
利用本發(fā)明涉及的鐵三鋁-碳納米管復(fù)合材料的制備方法，可以對增強相和制備方法進行優(yōu)化選擇，改善鐵三鋁金屬間化合物的綜合性能。基于碳納米管和鐵三鋁金屬間化合物的優(yōu)良性能，利用碳納米管的纖維增韌和塑性變形增韌協(xié)同效應(yīng)，以及納米效應(yīng)，使復(fù)合材料具有較高的抗彎強度和斷裂韌性，并具有良好的耐腐蝕性，經(jīng)實驗測定利用本發(fā)明涉及的方法所制得的鐵三鋁-碳納米管復(fù)合材料的主要指標(biāo)是，抗彎強度到880～950MPa，洛氏硬度為60～70(HRC)。
經(jīng)本發(fā)明方法制備的鐵三鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)零件、電磁元件、紡錘等耐高溫，耐腐蝕領(lǐng)域。
具體實施例方式
實施例1(1)以質(zhì)量百分比計，將Fe∶Al＝84∶16的鑄錠，在蒸發(fā)電流為80A，蒸發(fā)室氣體壓強為8Kpa條件下，利用氫電弧等離子體法制得Fe3Al納米粉體；(2)稱取質(zhì)量百分比為97％的Fe3Al納米粉體，與分子量為13000克/摩爾、質(zhì)量百分比濃度為0.1％的聚甲基丙烯酸胺的水溶液混合；用濃度為1mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，使pH值為8.0，此時Zeta-電位為0mV；所得混合液備用；(3)稱取質(zhì)量百分比為3％碳納米管與濃度為300mg/L的聚乙烯亞胺水溶液混合，同樣調(diào)節(jié)pH值，使PH值也調(diào)為8.0，此時Zeta-電位為-40mV；所得混合液備用；(4)將步驟(2)和(3)所得混合液分別進行常規(guī)超聲分散；(5)然后用步驟(2)所得混合液滴定步驟(3)所得混合液，直至滴到PH值為12且不再變化；此時在靜電引力的作用下形成復(fù)合粉體；(6)將上述復(fù)合粉體以真空度為10-3Pa，溫度為600℃，熱處理6小時，充分干燥；
(7)將步驟(6)所得復(fù)合粉體在20℃，壓力為170MPa進行冷壓成型；(8)將冷壓成型的坯體裝入石墨模具中，在溫度為1150℃，壓力為20Mpa，保護氣體為N2條件下，熱壓燒結(jié)制得鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料。
所制得復(fù)合材料得硬度為60(HRC)，抗彎強度為880MPa。
實施例2(1)以質(zhì)量百分比計，將Fe∶Al＝84∶16的鑄錠，在蒸發(fā)電流為80A，蒸發(fā)室氣體壓強為8Kpa條件下，利用氫電弧等離子體法制得Fe3Al納米粉體；(2)稱取質(zhì)量百分比為97.5％的Fe3Al納米粉體，與分子量為13000克/摩爾、質(zhì)量百分比濃度為0.1％的聚甲基丙烯酸胺的水溶液混合；用濃度為1mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，使pH值為8.0，此時Zeta-電位為0mV；所得混合液備用；(3)稱取質(zhì)量百分比為2.5％碳納米管與濃度為300mg/L的聚乙烯亞胺水溶液混合，同樣調(diào)節(jié)pH值，使pH值也調(diào)為8.0，此時Zeta-電位為-40mV；所得混合液備用；(4)將步驟(2)和(3)所得混合液分別進行常規(guī)超聲分散；(5)然后用步驟(2)所得混合液滴定步驟(3)所得混合液，直至滴到PH值為13且不再變化；此時在靜電引力的作用下形成復(fù)合粉體；(6)將上述復(fù)合粉體以真空度為10-3Pa，溫度為650℃，熱處理7小時，充分干燥；(7)將步驟(6)所得復(fù)合粉體在23℃，壓力為190MPa進行冷壓成型；(8)將冷壓成型的坯體裝入石墨模具中，在溫度為1250℃，壓力為25Mpa，保護氣體為H2條件下，熱壓燒結(jié)制得鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料。
所制得復(fù)合材料得硬度為65(HRC)，抗彎強度為900MPa。
實施例3(1)以質(zhì)量百分比計，將Fe∶Al＝84∶16的鑄錠，在蒸發(fā)電流為80A，蒸發(fā)室氣體壓強為8Kpa條件下，利用氫電弧等離子體法制得Fe3Al納米粉體；(2)稱取質(zhì)量百分比為98％的Fe3Al納米粉體，與分子量為13000克/摩爾、質(zhì)量百分比濃度為0.1％的聚甲基丙烯酸胺的水溶液混合；用濃度為1mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，使pH值為8.0，此時Zeta-電位為0mV；所得混合液備用；(3)稱取質(zhì)量百分比為2％多壁碳納米管與濃度為300mg/L的聚乙烯亞胺水溶液混合，同樣調(diào)節(jié)pH值，使PH值也調(diào)為8.0，此時Zeta-電位為-40mV；所得混合液備用；(4)將步驟(2)和(3)所得混合液分別進行常規(guī)超聲分散；(5)然后用步驟(2)所得混合液滴定步驟(3)所得混合液，直至滴到PH值為12.5且不再變化；此時在靜電引力的作用下形成復(fù)合粉體；(6)將上述復(fù)合粉體以真空度為10-3Pa，溫度為700℃，熱處理8小時，充分干燥；(7)將步驟(6)所得復(fù)合粉體在25℃，壓力為180MPa進行冷壓成型；(8)將冷壓成型的坯體裝入石墨模具中，在溫度為1200℃，壓力為30Mpa，保護氣體為N2條件下，熱壓燒結(jié)制得鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料。
所制得復(fù)合材料得硬度為70(HRC)，抗彎強度為950MPa。
權(quán)利要求
1.一種鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料，由鐵鋁金屬間化合物，碳納米管組成；其組分以重量百分比(wt％)計碳納米管為1％～5％，余量為鐵鋁金屬間化合物。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料，其特征是，所述各組分含量的重量百分比是碳納米管為2％～3％，余量為鐵鋁金屬間化合物。
3.如權(quán)利要求2所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料，其特征是，所述各組分含量的重量百分比是碳納米管為2％，鐵鋁金屬間化合物為98％。
4.如權(quán)利要求1～3之一所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料，其特征是，所述碳納米管為多壁型。
5.權(quán)利要求1～4之一所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料的制備方法，其步驟如下(1)以質(zhì)量百分比計，將Fe∶Al＝84∶16的鑄錠，在蒸發(fā)電流為80A，蒸發(fā)室氣體壓強為8Kpa條件下，利用氫電弧等離子體法制得Fe3Al納米粉體；(2)稱取質(zhì)量百分比為95％～99％的Fe3Al納米粉體，與分子量為13000克/摩爾、質(zhì)量百分比濃度為0.1％的聚甲基丙烯酸胺的水溶液混合；用濃度為1mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，使pH值為8.0，此時Zeta-電位為0mV；所得混合液備用；(3)稱取質(zhì)量百分比為1％～5％碳納米管與濃度為300mg/L的聚乙烯亞胺水溶液混合，同樣調(diào)節(jié)pH值，使PH值也調(diào)為8.0，此時Zeta-電位為-40mV；所得混合液備用；(4)將步驟(2)和(3)所得混合液分別進行常規(guī)超聲分散；(5)然后用步驟(2)所得混合液滴定步驟(3)所得混合液，直至滴到PH值為12～13且不再變化；此時在靜電引力的作用下形成復(fù)合粉體；(6)將上述復(fù)合粉體以真空度為10-3Pa，溫度為600℃～700℃，熱處理6～8小時，充分干燥；(7)將步驟(6)所得復(fù)合粉體在20℃～25℃，壓力為170MPa～190MPa進行冷壓成型；(8)將冷壓成型的坯體裝入石墨模具中，在溫度為1150℃～1350℃，壓力為10MPa～35Mpa，保護氣體為H2或N2條件下，熱壓燒結(jié)制得鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料。
6.如權(quán)利要求5所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料的制備方法，其特征是，步驟(1)所述Fe∶Al是指分析純鐵粉與分析純鋁粉的比，其中，鐵粉與鋁粉的原子比是3∶1。
7.如權(quán)利要求5所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料的制備方法，其特征是，步驟(3)所述碳納米管的稱取量是質(zhì)量百分比為2％～3％。
8.如權(quán)利要求5所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料的制備方法，其特征是，步驟(5)所述PH值為12.5。
9.如權(quán)利要求5所述的鐵鋁金屬間化合物-碳納米管復(fù)合材料的制備方法，其特征是，步驟(8)所述燒結(jié)溫度為1200℃，壓力為18MPa～30Mpa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵鋁金屬間化合物－碳納米管復(fù)合材料，其組分以質(zhì)量百分比計碳納米管為1％～5％，余量為鐵鋁金屬間化合物。本發(fā)明還公開了該復(fù)合材料的制備方法。即利用氫電弧等離子體法制備Fe
文檔編號B22F9/04GK1664148SQ200510042529
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者孫康寧, 龐來學(xué), 任帥, 李春勝, 趙天平 申請人:山東大學(xué)