專利名稱：制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉末的方法
制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉末的方法
相關(guān)申請的交叉引用
依據(jù)35U. S. C. § 119(a)，本申請基于并且要求于2009年9月M日提交到韓國知 識產(chǎn)權(quán)局的韓國專利申請第10-2009-90574號的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開內(nèi)容全部引入本文以供參考。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明大體上涉及一種制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉末的方法， 并且更具體地，涉及一種制造納米復(fù)合材料粉末的方法，該方法可在高能碾磨工藝中防止 碳納米管的損壞并且可以均勻地將碳納米管分散在金屬基質(zhì)中。
背景技術(shù)：
通常，碳納米管是一種具有優(yōu)異的機(jī)械、熱、化學(xué)和量子性質(zhì)的材料。碳納米管通 常與另一種材料諸如基質(zhì)材料或基材一起使用，使得其可用于高性能和高功能材料領(lǐng)域。
然而，碳納米管難以均勻地分散或排列在基質(zhì)材料中，并且其原因是由范德華力 導(dǎo)致的強(qiáng)粘聚性。問題在于碳納米管和金屬基質(zhì)之間的界面強(qiáng)度被這種粘聚性劣化。
興趣已經(jīng)集中于由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料。目前，碳納米管通過諸 如粉末混合法、浸漬法、鑄造法、球磨法、或高能碾磨法的方法來制造。
在本領(lǐng)域中已經(jīng)描述的制造方法中，碳納米管和陶瓷或金屬粉末經(jīng)歷球磨法，然 后通過放電等離子體進(jìn)行燒結(jié)，從而制造復(fù)合材料。由于碳納米管的粘聚性以及碳納米管 與金屬基質(zhì)材料之間的相對尺寸，經(jīng)歷球磨法的由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉 末粘結(jié)在金屬粉末的表面上。
因此，在碳納米管和金屬粉末被燒結(jié)以制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材 料粉末時(shí)，粉末的燒結(jié)性適當(dāng)?shù)亓踊?，使得由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉末的 密度降低。碳納米管粘結(jié)在金屬的晶粒上，因此機(jī)械性能適當(dāng)?shù)亓踊?br> 因此，在韓國專利公布第10-0558966號中公開了分子水平混合法，該申請全部引 入本文以供參考。
如10-0558966公開中所述，分子水平混合法制造由碳納米管和金屬組成的納米 復(fù)合材料粉末，其中碳納米管均勻地分散在金屬基質(zhì)中。
然而，由于上述分子水平混合法需要還原由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料 粉末的過程，因此難以將該方法應(yīng)用于難以還原的金屬，諸如鋁或鈦。
因此，分子水平混合法進(jìn)一步包括高能碾磨工藝以制造由諸如鋁、鈦或鎂的金屬 基質(zhì)和碳納米管組成的復(fù)合材料粉末。
因此，高能碾磨工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)碳納米管分散在金屬粉末中、以及金屬粉末的 表面。
然而，在高能碾磨工藝中，不得不長時(shí)間地導(dǎo)入高能量以均勻地將碳納米管分散 在金屬基質(zhì)中。結(jié)果，碳納米管破裂或結(jié)晶，并且因無定形碳的生成而損壞。
例如，如圖1中的圖所示，如果進(jìn)行高能碾磨工藝，碳納米管破裂。此外，如圖2中 的照片所示，該照片顯示了由電子顯微鏡觀察到的碳納米管，碳納米管大量地減少。
此外，在高能碾磨工藝中，在通過燒結(jié)由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉 末而制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料時(shí)，碳納米管的熱穩(wěn)定性劣化，并且碳納 米管與金屬基質(zhì)反應(yīng)而形成碳化物。
因此，在本領(lǐng)域中存在制造由碳納米管和金屬基質(zhì)組成的納米復(fù)合材料粉末的方 法的需求。
在此背景技術(shù)部分中公開的上述信息僅用于增強(qiáng)對本發(fā)明的背景技術(shù)的理解，并 且因此其可能含有不形成在本國對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。發(fā)明內(nèi)容
在優(yōu)選的方面，本發(fā)明的特征在于，一種制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合 材料粉末的方法。優(yōu)選地，本發(fā)明可適當(dāng)?shù)胤乐乖诟吣苣肽スに囍刑技{米管的損壞，并且可 均一地將碳納米管分散在金屬基質(zhì)中。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，提供了一種制造由碳納米管和金屬基質(zhì)粉末組成的 納米復(fù)合材料粉末的方法，該方法優(yōu)選包括以下步驟用于碾磨和混合碳納米管和金屬基 質(zhì)粉末的低速碾磨工藝；以及用于碾磨在低速碾磨工藝中均勻混合的碳納米管和金屬基質(zhì) 粉末，以均勻地將碳納米管分散在金屬基質(zhì)粉末中的高速碾磨工藝。
在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，低速碾磨工藝在Irpm至IOOrpm的碾磨速度下進(jìn)行20 小時(shí)。
在其他優(yōu)選的實(shí)施方式中，高速碾磨工藝在IOOrpm至5000rpm的碾磨速度下進(jìn)行 1小時(shí)。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在低速碾磨工藝和高速碾磨工藝中，使用行星式球磨 機(jī)、轉(zhuǎn)筒球磨機(jī)(tumbler ball mill)、和磨碎機(jī)中的任意一種碾磨機(jī)，并且使用行星式球 磨機(jī)。
優(yōu)選地，金屬基質(zhì)粉末包括鋁、鋰、鈹、鎂、鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、鍺、釔、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鈀、銀、鎘、銦、錫、銻、鎢、鉬、金和鉛中的至少一種。
在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，碳納米管包括直徑為5至40nm、長度為1 μ m至5 μ m 的聚集體。
在另一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，碳納米管以0. 至50%的重量比分散在金屬基 質(zhì)粉末中。
優(yōu)選地，碳納米管和鋁粉的重量與球磨機(jī)中使用的球的重量的重量比設(shè)置為 1 1 至 1 50。
在另一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，由于碳納米管和金屬基質(zhì)粉末在低速下碾 磨，然后在高速下碾磨以制造納米復(fù)合材料粉末，因此可防止碳納米管的損壞，并且可將碳 納米管均勻地分散在金屬基質(zhì)中。
要理解的是本文使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其他類似術(shù)語通常包括機(jī)動(dòng)車， 例如，包括多功能運(yùn)動(dòng)車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商務(wù)車的客車，包括各種艇和船的水 運(yùn)工具，飛行器等等，并且包括混合動(dòng)力車、電動(dòng)車、插入式混合電動(dòng)車、氫燃料車和其他代用燃料車(例如，來源于石油以外的資源的燃料)。
如本文所提到的，混合動(dòng)力車是具有兩種或多種動(dòng)力源的車輛，例如，具有汽油動(dòng) 力和電動(dòng)力的車輛。
本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)通過合并于本說明書并構(gòu)成本說明書一部分的附圖和 下面的具體實(shí)施方式
將變得顯而易見或更為詳細(xì)地闡述，附圖和具體實(shí)施方式
共同用于通 過實(shí)施例解釋本發(fā)明的原理。


從下面的具體實(shí)施方式
并結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述和其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將是 顯而易見的，其中
圖1是示出由相關(guān)領(lǐng)域的方法制造的碳納米管的損壞的圖2是通過相關(guān)領(lǐng)域的方法制造的碳納米管晶體的顯微鏡照片；
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料 粉末的方法的流程圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的低速碾磨工藝的視圖5是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的低速碾磨工藝后由碳納米管和金屬基質(zhì)粉末 組成的混合物的顯微鏡照片；
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的高速碾磨工藝的視圖7是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的高速碾磨工藝后由碳納米管和金屬基質(zhì)粉末 組成的混合物的顯微鏡照片；并且
圖8是示出由根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的方法制造的碳納米管的損壞的圖。
具體實(shí)施方式
在第一個(gè)方面，本發(fā)明的特征為一種制造納米復(fù)合材料粉末的方法，該方法包括 用以碾磨和混合碳納米管和金屬基質(zhì)粉末的低速碾磨工藝、和高速碾磨工藝。
在一個(gè)實(shí)施方式中，高速碾磨工藝包括碾磨在低速碾磨工藝中均勻混合的碳納米 管和金屬基質(zhì)粉末，從而均勻地將碳納米管分散在金屬基質(zhì)粉末中。
此后，將參照附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。通過參考要參照附圖詳細(xì) 說明的實(shí)施方式，本發(fā)明的各個(gè)方面和特征以及用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)方面和特征的方法將是顯而 易見的。然而，本發(fā)明不限于此后公開的實(shí)施方式，而是能夠以不同形式實(shí)施。說明書中定 義的事項(xiàng)，諸如詳細(xì)構(gòu)造和元素，只不過是提供用于輔助本領(lǐng)域普通技術(shù)人員綜合理解本 發(fā)明的具體細(xì)節(jié)，并且本發(fā)明僅限定在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的整個(gè)說明書 中，相同的附圖標(biāo)記用于整套附圖中的相同元素。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉末 的方法將參照附圖3至8詳細(xì)地說明。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉末的方法包 括，例如，如圖3中所示，在低速下碾磨和混合碳納米管和金屬基質(zhì)粉末的低速碾磨工藝 S10,以及在高速下碾磨在低速碾磨工藝SlO中均勻混合的碳納米管和金屬基質(zhì)粉末，以均 勻地將碳納米管分散在金屬基質(zhì)粉末中的高速碾磨工藝S20。5
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的制造由碳納米管和金屬組成的納米復(fù)合材料粉末 的方法在此處說明。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在低速碾磨工藝SlO中，碳納米管CNT和金屬基質(zhì)粉 末適當(dāng)?shù)刂苽浜突旌希缛鐖D4中所示。
優(yōu)選地，金屬基質(zhì)粉末包括鋁、鋰、鈹、鎂、鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、鍺、釔、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鈀、銀、鎘、銦、錫、銻、鎢、鉬、金和鉛中的至少一種。
在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，同時(shí)，優(yōu)選地使用鋁，并且在此實(shí)施方式中作為實(shí)例 進(jìn)行描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員要理解的是，可適當(dāng)?shù)貞?yīng)用上述金屬基質(zhì)粉末的任意一種 元素。
在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，直徑為5至40nm且長度為Ιμπι至5μπι的聚集體、 優(yōu)選直徑為20nm且長度為1 μ m至2 μ m的聚集體，適當(dāng)?shù)刂苽渥鳛樘技{米管CNT。優(yōu)選地， 純度為99. 9%且粒度為2至30 μ m的鋁粉適當(dāng)?shù)刂苽渥鳛楸緦?shí)施方式的金屬基質(zhì)粉末。
優(yōu)選地，碳納米管CNT適當(dāng)?shù)匾?. 至50%的重量比分散在金屬基質(zhì)粉末中。
在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，當(dāng)適當(dāng)?shù)刂苽涮技{米管CNT和鋁粉時(shí)，例如如圖2中 所示，碳納米管CNT和鋁粉適當(dāng)?shù)貙?dǎo)入至碾磨機(jī)中，然后通過碾磨機(jī)在低速下碾磨，從而將 它們均勻地混合(參見圖2中右側(cè)的照片)。
優(yōu)選地，碾磨機(jī)以Irpm至lOOrpm、優(yōu)選50rpm的碾磨速率碾磨碳納米管CNT和鋁 粉20小時(shí)以將它們均勻地混合。
在進(jìn)一步相關(guān)的實(shí)施方式中，在低速碾磨工藝SlO和高速碾磨工藝S20中使用的 碾磨機(jī)優(yōu)選地包括行星式球磨機(jī)、轉(zhuǎn)筒球磨機(jī)和磨碎機(jī)，并且優(yōu)選行星式球磨機(jī)。
優(yōu)選地，行星式球磨機(jī)中使用的球是氧化鋯(ZrO2)球，并且優(yōu)選地使用具有600cc 的間歇容量(interval capacitance)的罐。
在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，碾磨機(jī)通過使用碰撞法，諸如球?qū)η?、球?qū)}或球?qū)?磨碎機(jī)，來適當(dāng)?shù)鼗旌咸技{米管CNT和鋁粉。優(yōu)選地，碾磨機(jī)中使用的球的重量與碳納米管 CNT和鋁粉的重量的重量比適當(dāng)?shù)卦O(shè)置為1 1至1 50，并且考慮到球和倉之間的碰撞， 碾磨機(jī)中的倉和球的體積比設(shè)置為1 1至20 1。
根據(jù)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，在低速碾磨工藝SlO中，碳納米管CNT和鋁粉通過使 用碾磨機(jī)在低速下適當(dāng)?shù)啬肽ズ突旌希纱朔乐固技{米管CNT被顯著地?fù)p壞，并且均勻地 混合碳納米管CNT和鋁粉。
優(yōu)選地，當(dāng)?shù)退倌肽スに嘢lO適當(dāng)?shù)亟Y(jié)束時(shí)，通過使用掃描電子顯微鏡SEM核實(shí)碳 納米管CNT和鋁粉是否被均勻地混合。
根據(jù)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式以及圖5中所示，圖5是圖示在低速碾磨工藝后由碳 納米管和鋁粉組成的混合物的顯微鏡照片。
因此，圖5中左側(cè)的照片顯示碳納米管CNT和鋁粉的混合物形狀，且圖5中右側(cè)的 照片是圖5左側(cè)的照片中指示的圓圈的放大視圖。
參照圖5，例如，將核實(shí)，根據(jù)本發(fā)明的某些優(yōu)選的實(shí)施方式，碳納米管沒有粘結(jié)并 且均勻地分散在鋁粉的表面上。
優(yōu)選地，當(dāng)?shù)退倌肽スに嘢lO結(jié)束時(shí)，碳納米管CNT和鋁粉的混合物在高速碾磨工 藝S20中在高速下碾磨。
因此，在高速碾磨工藝S20中，如圖6中所示，在低速碾磨工藝SlO中均勻混合的 碳納米管CNT和鋁粉的混合物，通過碾磨機(jī)在IOOrpm至5000rpm、優(yōu)選200rpm的碾磨速率 下碾磨1小時(shí)。
因此，在本發(fā)明優(yōu)選的示例性實(shí)施方式中，在高速碾磨工藝S20中，碳納米管CNT 和鋁粉的混合物在高速下碾磨以將碳納米管CNT均勻地分散在鋁粉中(參見圖6)。
優(yōu)選地，當(dāng)高速碾磨工藝S20適當(dāng)?shù)亟Y(jié)束時(shí)，通過使用掃描電子顯微鏡SEM核實(shí)碳 納米管CNT是否均勻地分散在鋁粉中。
根據(jù)優(yōu)選的示例性實(shí)施方式，圖7是圖示在高速碾磨工藝S20后由碳納米管和金 屬基質(zhì)粉末組成的混合物的掃描電子顯微鏡照片。
因此，圖7中左側(cè)的照片顯示碳納米管CNT和鋁粉的混合物形狀，且圖7中右側(cè)的 照片是圖7左側(cè)的照片中指示的圓圈的放大視圖。
例如，參照圖7，顯示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，碳納米管不粘結(jié)，并且均勻地分 散在鋁粉的表面上。
此外，將顯示根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的高能碾磨工藝制造的碳納米管的圖2的照片與顯示 通過根據(jù)本發(fā)明的低速碾磨工藝SlO和高速碾磨工藝S20制造的碳納米管的圖7的右側(cè)照 片比較，碳納米管CNT均勻地分散在金屬基質(zhì)粉末的表面上。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式和圖8所示，圖8是圖示在低速碾磨工藝SlO 和高速碾磨工藝S20后碳納米管的損壞的圖。
因此，為了核實(shí)在低速碾磨工藝SlO和高速碾磨工藝S20后碳納米管的損壞，通過 使用拉曼光譜法測量結(jié)晶度。拉曼光譜法是指當(dāng)作為碳的特性峰的D-峰和G-峰的比Id/ Ie小時(shí)，碳納米管的結(jié)晶度高。
因此，如圖8中的測量值所示，其顯示在低速碾磨工藝SlO后的結(jié)晶度類似于該過 程前的結(jié)晶度。因此，如結(jié)果所示，碳納米管未被損壞。
此外，該結(jié)果說明高速碾磨工藝S20后的結(jié)晶度低于低速碾磨工藝SlO后的結(jié)晶 度，但碳納米管的損壞最小化。
因此，將圖2中顯示的根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的高能碾磨工藝制造的碳納米管CNT的測量 值與通過低速和高速碾磨工藝SlO和S20制造的碳納米管CNT的測量值比較，根據(jù)本發(fā)明 的碳納米管CNT的損壞最小化。
盡管出于說明的目的已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，有可能做出各種改動(dòng)、增加和替換而不背離如所附權(quán)利要求所公開的本發(fā)明的范圍 和精神。
權(quán)利要求
1.一種制造由碳納米管和金屬基質(zhì)粉末組成的納米復(fù)合材料粉末的方法，包括以下步驟用以碾磨和混合所述碳納米管和所述金屬基質(zhì)粉末的低速碾磨工藝；以及碾磨在所述低速碾磨工藝中均勻混合的所述碳納米管和所述金屬基質(zhì)粉末，以將所述 碳納米管均勻地分散在所述金屬基質(zhì)粉末中的高速碾磨工藝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造納米復(fù)合材料粉末的方法，其中所述低速碾磨工藝在 Irpm至IOOrpm的碾磨速度下進(jìn)行20小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造納米復(fù)合材料粉末的方法，其中所述高速碾磨工藝在 IOOrpm至5000rpm的碾磨速度下進(jìn)行1小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造納米復(fù)合材料粉末的方法，其中在所述低速碾磨工藝和 所述高速碾磨工藝中，使用選自行星式球磨機(jī)、轉(zhuǎn)筒球磨機(jī)、或磨碎機(jī)的碾磨機(jī)，并且使用 行星式球磨機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造納米復(fù)合材料粉末的方法，其中所述金屬基質(zhì)粉末包括 選自鋁、鋰、鈹、鎂、鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、鍺、釔、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鈀、銀、 鎘、銦、錫、銻、鎢、鉬、金和鉛的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造納米復(fù)合材料粉末的方法，其中所述碳納米管包括直徑 為5至40nm且長度為1 μ m至5 μ m的聚集體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造納米復(fù)合材料粉末的方法，其中所述碳納米管以0.1% 至50%的重量比分散在所述金屬基質(zhì)粉末中。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造納米復(fù)合材料粉末的方法，其中所述碳納米管和所述鋁 粉的重量與球磨機(jī)中使用的球的重量的重量比設(shè)置為1 1至1 50。
9.一種制造納米復(fù)合材料粉末的方法，包括碾磨和混合碳納米管和金屬基質(zhì)粉末的低速碾磨工藝；以及高速碾磨工藝。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造納米復(fù)合材料粉末的方法，其中所述高速碾磨工藝包 括碾磨在所述低速碾磨工藝中均勻混合的所述碳納米管和所述金屬基質(zhì)粉末，以將所述碳 納米管均勻地分散在所述金屬基質(zhì)粉末中。
全文摘要
本發(fā)明的特征在于公開了一種制造由碳納米管和金屬基質(zhì)粉末組成的納米復(fù)合材料粉末的方法。該方法包括用以碾磨和混合碳納米管和金屬基質(zhì)粉末的低速碾磨工藝，以及用以碾磨在低速碾磨工藝中均勻混合的碳納米管和金屬基質(zhì)粉末，以將碳納米管均勻地分散在金屬基質(zhì)粉末中的高速碾磨工藝。在某些優(yōu)選的方面，該方法可防止碳納米管的損壞，并且可將碳納米管均勻地分散在金屬基質(zhì)中。
文檔編號C22C101/10GK102031465SQ20101025515
公開日2011年4月27日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者南東勛, 李起春, 洪淳亨, 金倫耕, 金相學(xué) 申請人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會社, 起亞自動(dòng)車株式會社, 韓國科學(xué)技術(shù)院