10.如權利要求9所述的用于納米碳材料-金屬復合材料宏量制備裝置，其特征在于，還包括保護氣體、氣體流量控制器與熔煉爐相連，測溫裝置分別與熔煉爐和保溫爐相連，以及保溫裝置。

說明書

技術領域

[0001]本發(fā)明屬于納米碳材料增強金屬基復合材料制備方法領域，具體說是一種納米碳材料增強金屬基復合材料高效制備方法。

背景技術

[0002]公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

[0003]近年來，以碳納米管、石墨烯、富勒烯、微晶碳為典型代表的納米碳材料由于其優(yōu)異的力學性能，成為金屬基復合材料理想的強化相?，F有研究已證實，在金屬基體中添加少量納米碳材料，即可實現其性能大幅提升。另外，其優(yōu)異的導電導熱性能，以及耐蝕性能突出。納米碳材料增強金屬基復合材料具有廣闊的工業(yè)應用前景。

[0004]然而，由于高比表面積、高范德華力，納米碳材料初始狀態(tài)通常為大粒徑團聚體。因此，納米碳材料在與金屬基體結合前，必須進行分散處理。目前，常用的分散技術手段主要有固相分散、液相分散兩大類。

[0005]中國發(fā)明專利CN111172421A公開了一種粉末冶金法制備技術，依靠球磨產生的剪切力，將富勒烯均勻分散到金屬基體中，然后壓實得到塊體金屬基復合材料。

[0006]中國發(fā)明專利CN111996410A公開了一種液相分散技術，在溶液中將石墨烯與金屬基體混合，依靠機械攪拌產生的剪切力打破石墨烯間范德華力，得到均勻分散的懸濁液，然后采用噴霧干燥搜集混合粉體。

[0007]中國發(fā)明專利CN107058786A公開了一種超聲分散技術，依靠超聲產生的空化作用得到石墨烯超聲分散液，繼續(xù)加入鎂合金粉末，采用超聲和機械攪拌得到均勻分散的石墨烯、鎂復合粉末。最后，過濾、真空干燥。

[0008]中國發(fā)明專利CN106622029A公開了一種塔式金屬霧化制粉設備，包括金屬熔煉室、等離子霧化裝置、高溫化合塔室、冷卻塔室、粉末分級收集裝置、抽真空系統、冷卻水循環(huán)裝置、控制柜和塔式安裝平臺支架；金屬熔煉室安裝在等離子霧化裝置上方，且與金屬送料機構連接；等離子霧化裝置安裝在高溫化合塔室頂部；高溫化合塔室的上端與安裝在塔式安裝平臺支架底層的抽真空系統連接，其下端與冷卻塔室，通過塔式安裝平臺支架中的移動支架進行固定；冷卻塔室的中部、底端均與粉末分級收集裝置連接；冷卻水循環(huán)裝置與金屬熔煉室、高溫化合塔室和冷卻塔室連接。

[0009]中國發(fā)明專利CN109420770A公開了一種碳化釩鈦金屬陶瓷粉末的生產方法，包括如下步驟：a、配料：按設定配比稱取碳化釩、金屬鈦和碳；b、裝爐：將混合料裝入真空熔煉爐中；c、熔煉：在真空條件下將混合料加熱至熔融狀態(tài)，得到合金液，并保溫；d、水霧法制粉：熔煉后，將合金液過熱，然后進行水霧化制粉；e、真空吸濾：霧化后進行真空吸濾，得到碳化釩鈦金屬陶瓷粉末和霧化水；碳化釩鈦金屬陶瓷粉末經過干燥和篩分后得到成品。

[0010]由此可以看出，基于球磨的固相分散技術難以實現連續(xù)化、大規(guī)模生產；基于超聲、機械攪拌的液相分散技術需要進行干燥處理，工藝流程繁瑣，成本較高；水霧化法制粉技術無法實現金屬基復合材料制備。

發(fā)明內容

[0011]針對上述問題，需要開發(fā)一種低成本、短流程、工業(yè)化的納米碳材料增強金屬基復合材料制備方法與裝置。為此，本發(fā)明提供了一種納米碳材料增強金屬基復合材料制備方法與裝置。

[0012]為實現上述技術目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

[0013]本發(fā)明的第一個方面，提供了一種納米碳材料-金屬復合材料宏量制備方法，包括：

[0014]制備納米碳材料懸濁液，待用；

[0015]將金屬基體熔化，保溫，待用；

[0016]將納米碳材料懸濁液和熔化的基體金屬同時進行霧化，使霧化的納米碳材料分散液滴與熔化的金屬基體液滴接觸，快速干燥并凝固形成混合粉末，即得；

[0017]將所述混合粉末進行后續(xù)加工，得到納米碳材料金屬基復合材料制品。

[0018]本發(fā)明開發(fā)了一種低成本、短流程、工業(yè)化制備方法。

[0019]本發(fā)明的第二個方面，提供了上述的方法制備的納米碳材料-金屬復合材料。

[0020]本發(fā)明的第三個方面，提供了一種用于納米碳材料-金屬復合材料宏量制備裝置，包括：熔煉爐、保溫爐、分散系統和霧化制粉系統，所述保溫爐的底部設置有排液口，所述排液口下方設置有漏斗，漏斗可控制金屬液流量大小，所述保溫爐本體的底部還設置有霧化噴嘴，所述霧化噴嘴的進液口與納米碳材料懸濁液儲罐相連。

[0021]本發(fā)明的有益效果在于：

[0022](1)短流程：本發(fā)明集成了水霧化法制粉技術與納米材料分散技術，利用高溫金屬熔體的熱量進行干燥，避免了其他技術手段繁瑣的工藝流程，有效降低了能耗，提高了制備效率。

[0023](2)連續(xù)化生產：針對不同產能需求，配置不同數量熔煉爐、分散容器，可實現不間斷連續(xù)化生產。

[0024](3)復合材料設計自由度高：針對不同產品與性能需求，以及應用場景需求，可設計不同含量、多種強化相協同增強金屬基復合材料。金屬基體成分設計自由度高。金屬粉末粒徑可通過高壓水泵改變壓力、霧化噴嘴改變流量大小進行自由調控。

[0025](4)技術普適性強：與其他加工技術銜接友好。

附圖說明

[0026]構成本發(fā)明的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。

[0027]圖1為本發(fā)明裝備示意圖。

[0028]圖2為本發(fā)明分散處理前后的富勒烯粉末形貌。

[0029]圖3為本發(fā)明生產石墨烯增強鋁基復合粉末形貌。

[0030]圖4為本發(fā)明生產石墨烯增強鋁基復合材料微觀組織。

[0031]其中，1熔煉爐、2測溫裝置、3保溫爐、4保溫裝置、5高壓水泵、6分散裝置、7霧化噴嘴、8金屬液、9碳材料懸濁液、10氣體流量控制器、11保護氣體。

具體實施方式

[0032]應該指出，以下詳細說明都是示例性的，旨在對本發(fā)明提供進一步的說明。除非另有指明，本發(fā)明使用的所有技術和科學術語具有與本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

[0033]本發(fā)明所述納米碳材料為碳納米管、石墨烯、富勒烯、微晶碳等納米材料中的一種或多種混合。

[0034]本發(fā)明所述金屬基體為銅、鐵、鋁、鎂等材料純金屬或其合金。

[0035]將納米碳材料裝入分散容器中，加入溶液，持續(xù)進行超聲或機械攪拌，或同時進行超聲和機械攪拌處理。利用超聲的空化作用或機械攪拌的強剪切力，打破納米碳材料之間的范德華力，得到納米碳材料懸濁液，待用。同時，將金屬基體裝入熔煉爐熔化，待用。

[0037]霧化噴嘴處設計直流電極，避免納米碳材料霧化粉末聚集團聚。

[0038]本發(fā)明所述熔煉爐、保溫爐為中頻電爐或電阻電爐，熔煉與保溫過程可采用惰性氣體對熔體進行保護。

[0039]打開保溫爐下方漏斗，金屬熔體從漏斗流出，在高壓水霧作用下，形成金屬液滴。

[0040]通過控制納米碳材料懸濁液濃度和高壓水泵壓力和流速，實現碳質強化相在金屬基體中的含量調控。

[0041]漏斗可控制金屬熔體流量，高壓水霧可通過高壓水泵控制壓強與流速。通過金屬熔體流量與高壓水霧壓力控制，實現金屬粉末顆粒粒徑的控制。

[0042]金屬液滴與納米碳材料液滴相互接觸，并快速凝固形成混合粉末。

[0043]搜集混合粉末并進行后續(xù)加工。得到納米碳材料增強金屬基復合材料或制品。

[0044]本發(fā)明所述后續(xù)加工方式包括燒結、擠壓、鍛造、熱等靜壓、3D打印等加工方式一種或多種結合。

[0045]本發(fā)明所獲得的混合粉末可直接用于金屬制品制造，也可作為爐料在鑄造過程中添加使用。

[0046]本發(fā)明對可制備納米碳材料增強金屬基復合材料，也同樣可用于制備其他納米顆粒增強金屬基復合材料，包括但不限于SiC、TiC等增強顆粒。

[0047]下面結合具體的實施例，對本發(fā)明做進一步的詳細說明，應該指出，所述具體實施例是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

[0048]實施例1

[0049](1)將石墨烯與水放入分散爐中進行機械攪拌，機械攪拌轉速為8000rpm/min，攪拌時間60min，獲得石墨烯懸濁液。

[0050](2)將高純鋁錠裝入熔煉爐，加熱至750℃，保溫60min，隨后，通過導流器將熔化的鋁液導入到保溫爐中保溫，保溫溫度720℃。所述熔煉爐為自制設備，功率12.5Kw，控溫精度±5℃。

[0051](3)打開保溫爐下方漏斗，所述保溫爐與熔煉爐同一型號，鋁熔體從漏斗不斷流出，流量大小為20Kg/min。同時，將分散后的石墨烯懸濁液用高壓水泵抽取，水泵壓力10MPa，石墨烯懸濁液通過保溫爐底部霧化噴嘴形成分散液滴，同時，鋁液在漏斗流出時，經過霧化噴嘴，形成霧化液滴。鋁液滴與石墨烯懸濁液滴接觸，并快速凝固，得到石墨烯、鋁復合粉末。

[0052](4)將所制鋁粉與石墨烯混合粉末在大氣環(huán)境下進行室溫壓制，石墨烯含量1wt.％，隨后分別在600℃溫度下，燒結2h、4h和6h，得到Al-1wt.％C(石墨烯)復合材料。

[0053]實施例1中，鋁粉與石墨烯混合粉末進行微觀形貌觀察，如圖3所示，石墨烯沒有發(fā)生團聚現象。

[0055]實施例1中，對燒結4h制備的Al-1wt.％C(石墨烯)復合材料進行微觀組織觀察，如圖4所示，從圖中可以看出石墨烯呈片狀，在鋁基體中均勻分布。

[0056]實施例2

[0057](1)將富勒烯原灰與水放入分散爐中，利用低溫恒溫槽保持循環(huán)水的溫度為10℃。將超聲棒放入盛有富勒烯原灰和水的分散爐進行超聲分散，超聲功率為1200W，超聲時間為10min，得到超聲分散后的富勒烯原灰懸濁液。

[0058](2)將純鋁錠放入通有氬氣保護的電阻爐中進行加熱熔化，待熔化后，使鋁熔體在720℃下保溫30min。利用導流器將鋁液導入到保溫爐中保溫。

[0059](3)打開保溫爐下方漏斗，鋁熔體從漏斗不斷流出。同時，將分散后的富勒烯原灰懸濁液用高壓水泵抽取，控制高壓水流的壓力為5MPa，通過霧化噴嘴形成分散液滴。鋁液在高壓霧化的富勒烯原灰水液滴的冷卻下，快速凝固形成富勒烯原灰與純鋁粉的混合粉。

[0060](4)將富勒烯原灰與純鋁粉的混合粉進行室溫壓制，壓力為500MPa，保壓1min，得到Al-1wt.％C(富勒烯)復合材料。

[0061](5)將含有Al-1wt.％C(富勒烯)復合材料在400℃下保溫60min，利用壓力機進行擠壓，得到直徑為5mm的鋁絲，擠壓比為16/1。

[0062](6)取100g的A356.2鋁合金，放入750℃并通有氬氣保護的電阻中進行加熱，待熔化后進行除雜除氣。

[0063](7)取10g含有Al-1wt.％C(富勒烯)復合材料鋁絲，放入熔化的A356鋁液中，在750℃下保溫20min，必要時施加機械攪拌。

[0064](8)將步驟(7)獲得的A356.2鋁液降溫至720℃，保溫10min，澆注如鋼模中，得到A356.2-0.5wt.％C(富勒烯)鑄錠。

[0065]實施例2中，對A356.2-0.5wt.％C(富勒烯)鑄錠及A356.2鑄錠進行室溫拉伸實驗，A356.2-0.5wt.％C(富勒烯)的抗拉強度為170MPa，比A356.2合金的抗拉強度提高約9.7％。

[0066]實施例3

[0067](1)將石墨烯與水放入分散爐中進行機械攪拌，機械攪拌轉速為8000rpm/min，攪拌時間60min，獲得石墨烯懸濁液。

[0068](2)將高純鋁錠裝入熔煉爐，加熱至720℃，保溫60min，隨后，通過導流器將熔化的鋁液導入到保溫爐中保溫，保溫溫度720℃。

[0069](3)打開保溫爐下方漏斗，鋁熔體從漏斗不斷流出。同時，將分散后的石墨烯懸濁液用高壓水泵抽取，水泵壓力5MPa，石墨烯懸濁液通過保溫爐底部霧化噴嘴形成分散液滴，鋁液得到霧化，得到鋁粉與石墨烯混合粉末A。

[0070](4)將所制得的鋁粉與石墨烯混合粉末用100目篩網進行篩分，得到顆粒尺寸均勻的復合粉末B。

[0071](5)將復合粉末B加入至選區(qū)激光熔化成形設備進行3D打印成形，激光功率300W，掃描速度100mm/s，得到3D打印Al-C(石墨烯)復合材料零部件。

[0072](6)對3D打印Al-C(石墨烯)復合材料零部件進行燒結致密化處理，燒結工藝參數為600℃，保溫2h。

[0073]實施例3中，采用密度儀對燒結態(tài)3D打印制備的Al-C(石墨烯)復合材料進行密度測試，石墨烯含量0.5wt.％和1wt.％鋁基復合材料密度分別為2.67g/cm3和2.65g/cm3，致密度分別為99.0％和98.3％，接近完全致密化。

[0074]實施例4

[0075](1)將富勒烯原灰與水放入分散爐中，利用低溫恒溫槽保持循環(huán)水的溫度為10℃。將超聲棒放入盛有富勒烯原灰和水的燒杯中進行超聲分散，超聲功率為1200W，超聲時間為15min，得到超聲分散后的富勒烯原灰懸濁液。

[0076](2)將6061鋁合金錠放入通有氬氣保護的電阻爐中熔化加熱至750℃，利用導流器將鋁液導入到保溫爐中保溫。

[0077](3)打開保溫爐下方漏斗，使鋁熔體從漏斗中流出。同時，將分散后的富勒烯原灰懸濁液用高壓水泵抽取，控制水流壓力為5MPa，通過霧化噴嘴形成分散液滴。使鋁液在分散液滴的冷卻下快速凝固,形成6061-4wt.％C(富勒烯)混合粉末。

[0078](4)將上述混合粉末進行冷等靜壓成型，壓力為200MPa，保壓時間10min。

[0079](5)將上述壓力成型后得到的坯錠加熱至500℃并保溫60min，利用擠壓機進行擠壓，得到直徑為Φ9mm的鋁絲，擠壓比為45:1。

[0080](6)取25kg的6061鋁合金，在保溫爐中熔化加熱至730℃，使用0.6％的六氯乙烷進行熔體精煉、除渣除氣。

[0081](7)利用半連續(xù)鑄造設備對6061合金熔體進行鑄造，澆鑄溫度為730℃，同時利用送絲機向流槽中在線添加6061-4wt.％C(富勒烯)絲材，控制送絲機速度，使其成分為6061-0.2wt.％C(富勒烯)，凝固后得到直徑為Φ100mm的復合材料半連續(xù)鑄錠。

[0082](8)將上述復合材料鑄錠加熱至450℃并保溫60min，利用擠壓機進行擠壓，得到直徑為Φ20mm的6061-0.2wt.％C(富勒烯)鋁桿，擠壓比為25:1。

[0083](9)將上述6061-0.2wt.％C(富勒烯)鋁桿在熱處理爐中加熱至520℃(升溫速度為200℃/h)，保溫30min后水冷淬火；將淬火后的樣品加熱至175℃(升溫速度為100℃/h)，保溫8h，進行人工時效。

[0084]實施例4中，利用萬能試驗機測試T6熱處理后的6061-0.2wt.％C(富勒烯)復合材料拉伸性能，其極限拉伸強度為350MPa，屈服強度為310MPa，延伸率為15％，比6061合金的力學性能分別提高9％，11％和8％。

[0085]如圖1所示，一種納米碳材料-金屬復合材料粉末制備裝置，包括熔煉爐1、保溫爐3、分散系統和霧化制粉系統，高壓水泵5通過管道與霧化噴嘴7相連，碳材料懸濁液9將熔融的金屬液8霧化為粉末，此過程中保持分散裝置6持續(xù)運行。

[0086]還包括保護氣體11、氣體流量控制器10與熔煉爐1連，測溫裝置2分別與熔煉爐1和保溫爐3相連，以及保溫裝置4。

[0087]對比例1

[0088]中國發(fā)明專利CN104227007A公開了一種水霧化制備鋁粉及鋁合金粉的方法，用導流坩堝熔化鋁錠或鋁合金,使熔體的溫度保持在700-1100℃,并保溫30-60min。同時加熱導流坩堝。將熔融的鋁合金液倒入導流坩堝中,使其沿導流坩堝底部的導流管連續(xù)流出。打開高壓水泵,控制高壓水流的壓力為2-16MPa,水溫為10-40℃之間,使添加有抑制劑的pH為4.0-5.0的高壓水流沿霧化室頂部的噴嘴噴出,霧化鋁液并得鋁及鋁合金粉末。與實施例1的不同之處在于：(1)實施例1目的在于制備石墨烯增強鋁基復合材料，對比例1則是為了獲得鋁及鋁合金粉末；(2)實施例1解決了團聚狀石墨烯的鋪展及在鋁基體中的彌散分布問題，對比例1不涉及相關內容；(3)實施例1首次提出通過懸濁液中石墨烯含量與高壓水泵流量協同調節(jié)實現復合材料中石墨烯含量的精準控制，對比例1不涉及相關內容。

[0089]對比例2

[0090]中國發(fā)明專利CN107058786A公開了一種鎂基石墨烯復合材料的制備方法，首先將石墨烯粉末溶于適量無水乙醇溶液中,制得石墨烯超聲分散液；將金屬鎂粉溶于無水乙醇,并超聲處理和機械攪拌混合得到石墨烯/鎂粉混合液；通過過濾后真空干燥,制得鎂基石墨烯復合粉末；將復合粉末進行包套熱擠壓,制得鎂基石墨烯固結預制坯；將去除包套后的固結預制坯加入到熔融金屬液,通過螺旋磁場攪拌澆鑄凝固,最終制備得到鎂基石墨烯復合材料。與實施例2的不同之處在于：(1)實施例2提出在粉末制備階段引入納米碳材料與金屬粉末的混合，極大程度縮短納米碳材料-金屬基復合材料制備的工藝流程，對比例2則需將霧化完的粉末與納米碳材料進行復合，工藝較為繁瑣，不適用于工業(yè)化生產；(2)對比例2通過過濾后真空干燥制得復合粉末，實施例2通過金屬液冷卻釋放的熱量實現納米碳材料懸濁液中液體的揮發(fā)，無需引入過濾流程及二次加熱，縮短工藝流程，節(jié)約能源，降低生產成本，適合工業(yè)化生產。

[0091]對比例3

[0092]中國發(fā)明專利CN111996410A公開了一種石墨烯增強鎂基復合材料及其制備方法和應用，將增強體、鎂基體與液體相溶劑混合得到懸濁液；將得到的懸濁液通過噴霧干燥得到干燥粉末；將得到的干燥粉末進行成型處理得到塊體坯料；將塊體坯料和鎂合金坯料進行熔化混合,澆鑄得到石墨烯增強鎂基復合材料。與實施例4的不同之處在于：(1)實施例4提出在粉末制備階段引入納米碳材料與金屬粉末的混合，極大程度縮短納米碳材料-金屬基復合材料制備的工藝流程，對比例2則需將霧化完的粉末與納米碳材料進行復合，工藝較為繁瑣，不適用于工業(yè)化生產；(2)對比例3在復合粉末噴霧干燥過程中引入高壓熱風實現液體的揮發(fā)，實施例4通過金屬液冷卻釋放的熱量實現納米碳材料懸濁液中液體的揮發(fā)，無需引入二次加熱，節(jié)約能源，降低生產成本。

[0093]最后應該說明的是，以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。