專利名稱：制造納米碳－金屬復(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—金屬復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
近來，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)，因為他們具有納米尺寸的直徑。
納米碳材料包括高熱導(dǎo)率的材料以及增強材料，并且可改進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，它們具有改進的熱導(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106和切割機107。
通過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取向。同時，其冷卻并凝固為凝固材料105。
凝固材料105通過軋機106輥軋，并且通過切割機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)率通過沿其長度方向取向的納米碳材料而沿其長度方向急劇增加。
然而，為了制備熔融材料104，消耗了大量的熱能來加熱鋁至其熔點。
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行。當(dāng)含有外來物質(zhì)的材料由其表皮向其中心凝固時，外來物質(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通過冷卻滾筒101牽引的該已知方法需要改進冷卻滾筒旋轉(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—金屬復(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體，用熔點高于所述金屬材料的材料包覆所述壓實體，在惰性或非氧化性氣氛中加熱經(jīng)包覆的壓實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，對經(jīng)加熱的壓實體施加壓力以通過塑性形變形成初級模塑產(chǎn)品，以及擠出模塑該初級模塑產(chǎn)品以制造納米碳—金屬復(fù)合材料。
在本發(fā)明方法中，納米碳材料通過擠出模塑在一個方向上取向。經(jīng)包覆的壓實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，從而生成高機械強度的納米碳—金屬復(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。不存在納米碳材料從模塑產(chǎn)品表皮向其中心的移動。因此，可制造一種納米碳—金屬復(fù)合材料，其在表皮中含有足夠大量的納米碳材料，并且因此具有改進耐磨損性的表面。
因此，在制造以一個方向取向的納米碳材料的方法中，本發(fā)明可實現(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。因為碎片是固體小片，因此相對于他們的質(zhì)量而具有相對小的表面積。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)選為熔點不超過660℃的低熔點金屬或合金。低熔點金屬或合金容易進料至模鑄機中。因此，本發(fā)明可制造容許大范圍應(yīng)用的納米碳—金屬復(fù)合材料。
低熔點金屬或合金優(yōu)選為鎂或鎂合金。因為鎂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。用熔點高于形成基體的鎂或鎂合金熔點的鋁或鋁合金對壓實體的包覆保護了前者不受氧化。此外，使用常用并且容易購得的材料鋁或鋁合金實現(xiàn)了生產(chǎn)成本的降低。


本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施方案將參考附圖來描述。
圖1A-1C所示為本發(fā)明方法的混合和壓實形成步驟；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—金屬復(fù)合材料的公知裝置。
具體實施例方式
首先參照圖1A-1C來描述本發(fā)明方法的混合及壓實形成步驟。如圖1A所示，納米材料11和通過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移動到鋁罐中以壓實混合物15。經(jīng)壓實的混合物稱為壓實體21。
參照圖2A-2C來描述本發(fā)明方法的加熱步驟。如圖2A所示，壓實體21用熔點高于金屬基體材料12(圖1A)的金屬材料包覆，從而受保護而不氧化。具體而言，當(dāng)金屬基體材料是由鎂合金構(gòu)成時，使用具有較高熔點的鋁材料作為包覆材料。更具體而言，鋁罐16突出壓實體21的那部分被切除。然后，鋁片22被放置在壓實體21的頂部上。得到壓實體21包覆有金屬材料(鋁罐16和鋁片22)的經(jīng)包覆的壓實體，所述金屬材料的熔點高于金屬基體材料12。
當(dāng)為避免經(jīng)包覆的壓實體23在下次處理之前的某些時間內(nèi)氧化，經(jīng)包覆的壓實體23被儲存在非氧化罐26中，該非氧化罐通過抽空裝置24抽空，并且填充有來自氬氣容器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)通過充氣管29吹入爐28中，如圖2C所示。壓實體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。
參照圖3A-3C描述本發(fā)明方法的塑性形變步驟。以下描述是壓合機30用于塑性形變的情況，但可通過交替使用軋機或鍛造機。
壓合機30具有基底31、模具32及沖頭33，用于擠壓經(jīng)包覆的壓實體23，如圖3A所示。經(jīng)包覆的壓實體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)包覆的壓實體23除去，得到初級模塑產(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)包覆的壓實體23進行塑性形變而形成初級模塑產(chǎn)品35時，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。
參照圖4A-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39。所述容器37加熱到合適的溫度，并且初級模塑產(chǎn)品放置在容器37中。然后，推桿38如箭頭所示向下移動，從而使初級模塑產(chǎn)品35通過擠出通道36擠出，形成納米碳—金屬復(fù)合材料40。納米碳—金屬復(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具有改進的耐磨損性。
實施例本發(fā)明將通過幾個實施例來描述，但這些實施例并不試圖限制本發(fā)明的保護范圍。
1.實驗中所用的納米碳材料直徑為1.0-150nm、長度為100μm的納米碳纖維(以下簡寫為CNF)。
2.實驗中使用的金屬基體材料鎂合金模鑄(JIS H 5303 MDC1D)碎片(以下簡寫為MD1D)。
3.混合步驟3.1.混合比01號樣品5vol％CNF/95vol％MD1D02號樣品5vol％CNF/95vol％MD1D03號樣品10vol％CNF/90vol％MD1D04號樣品10vol％CNF/90vol％MD1D05號樣品15vol％CNF/85vol％MD1D06號樣品15vol％CNF/85vol％MD1D4.包覆步驟(用于01-06號樣品)使用鋁罐和鋁箔來包覆。
5.加熱步驟(用于01-06號樣品)加熱溫度585℃加熱時間30分鐘預(yù)定固相比約40％6.塑性形變步驟(用于01-06號樣品)壓力100MPa7.擠出步驟(用于02號樣品、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01-06號樣品的熱導(dǎo)率和耐壓強度進行檢驗。結(jié)果如下表所示。
表1


○實施×未實施01和02號樣品都是5vol％CNF和95vol％MD1D的組合。未實施擠出步驟的01號樣品顯示熱導(dǎo)率僅為42.2W/m·K，已實施擠出步驟的02號樣品的熱導(dǎo)率升高到47.0W/m·K。比較他們的耐壓強度，發(fā)現(xiàn)了相似的趨勢。未實施擠出步驟的01號樣品顯示耐壓強度僅為369MPa，已實施擠出步驟的02號樣品的耐壓強度升高到378MPa。
03和04號樣品都是10vol％CNF和90vol％MD1D的組合。未實施擠出步驟的03號樣品顯示熱導(dǎo)率僅為43.2W/m·K，已實施擠出步驟的04號樣品的熱導(dǎo)率升高到50.7W/m·K。比較他們的耐壓強度，發(fā)現(xiàn)了相似的趨勢。未實施擠出步驟的03號樣品顯示耐壓強度僅為384MPa，已實施擠出步驟的04號樣品的耐壓強度升高到393MPa。
05和06號樣品都是15vol％CNF和85vol％MD1D的組合。未實施擠出步驟的05號樣品顯示熱導(dǎo)率僅為46.0W/m·K，已實施擠出步驟的06號樣品的熱導(dǎo)率升高到52.8W/m·K。比較他們的耐壓強度，發(fā)現(xiàn)了相似的趨勢。未實施擠出步驟的05號樣品顯示耐壓強度僅為356MPa，已實施擠出步驟的06號樣品的耐壓強度升高到361MPa。
上述結(jié)果表明擠出步驟導(dǎo)致熱導(dǎo)率和耐壓強度的增加。它們的增加本身顯然是由于納米碳材料通過擠出步驟的取向。
在一些樣品上進行磨損試驗以評估它們的耐磨損性。由03和04號樣品分別制備具有8mm直徑和球形端半徑為70mm的柱狀試驗試樣。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的滑動速度沿著10,000m的滑動距離往復(fù)運動。試驗樣品部分磨損，并且geographically計算其磨損量。結(jié)果顯示于下表中表2

○實施 ×未實施03和04號樣品都是10vol％CNF和90vol％MD1D的組合。未實施擠出步驟的03號樣品顯示5mm3大的磨損量，已實施擠出步驟的04號樣品顯示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)致了改進的耐磨損性。
除了熔點約650℃的鎂和鎂合金，作為金屬基體材料可使用熔點約660℃的鋁或鋁合金、熔點約232℃的錫或錫合金、熔點約237℃的鉛或鉛合金。換句話說，可使用任何熔點不超過660℃的低熔點金屬或合金。
權(quán)利要求
1.一種制造納米碳-金屬復(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體；用熔點高于所述金屬材料熔點的材料包覆所述壓實體；在惰性或非氧化性氣氛中加熱經(jīng)包覆的壓實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；對所述經(jīng)加熱的壓實體施加壓力以通過塑性形變形成初級模塑產(chǎn)品；以及擠出模塑所述初級模塑產(chǎn)品以制造納米碳-金屬復(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為660℃或以下的低熔點金屬或合金構(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方向上取向。
文檔編號C22C49/14GK1869262SQ200610084529
公開日2006年11月29日 申請日期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, 對馬大介 申請人:日精樹脂工業(yè)株式會社, 國立大學(xué)法人長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)