專利名稱：制造碳納米復(fù)合金屬材料的方法以及制造金屬制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合金屬材料，該復(fù)合金屬材料通過使用碳納米材料作為強(qiáng)化材料制造而成。

背景技術(shù)：
近年來，將例如稱為碳納米材料的特殊碳纖維作為強(qiáng)化材料已經(jīng)受到了大量關(guān)注，并已經(jīng)提出了多種活化方法。作為碳納米材料的典型例子的碳納米纖維(CNF)為一種將布置在六面體點(diǎn)陣中的一層碳原子卷成管狀的材料。該材料被稱為碳納米纖維(或碳納米管)，因?yàn)槠渲睆綖?.0至150nm(納米)。長(zhǎng)度為幾微米至100μm。
當(dāng)基體金屬原料通過碳納米材料進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，必須將碳納米材料均勻地分散到基體金屬原料中。這種類型的分散技術(shù)例如可從日本專利申請(qǐng)未審公報(bào)No.2006-265686(JP 2006-265686 A)中得知。
利用上述JP 2006-265686 A中所公開的分散技術(shù)制造鎳(Ni)/碳納米管(CNT)復(fù)合燒結(jié)體的方法將參照?qǐng)D13中所示的流程圖進(jìn)行描述。
在步驟(下面簡(jiǎn)稱為“ST”)101中，碳納米管(CNTs)、分散劑(十二烷基硫酸鈉)以及溶劑(純水)被準(zhǔn)備，而且這些材料結(jié)合起來并利用超聲波攪拌/混合1小時(shí)(ST102)。另外，在ST103中，鎳(Ni)粉、分散劑(聚丙烯酸銨)、粘結(jié)劑(聚乙烯醇)以及溶劑(純水)被準(zhǔn)備，這些材料被結(jié)合，并利用超聲波攪拌/混合1小時(shí)(ST104)。
在ST102中獲得的CNT懸浮液以及在ST104中獲得的Ni漿料結(jié)合在一起，通過超聲波處理進(jìn)行攪拌/混合(ST105)，然后被加熱到80℃并凝聚(ST106)，以獲得Ni/CT混合漿料(ST107)。
接下來，Ni/CNT混合漿料在兩個(gè)階段中進(jìn)行干燥并壓縮(ST108)，以獲得未燒結(jié)成型體(ST109)。
所得到的未燒結(jié)成型體脫脂30小時(shí)(ST110)，然后在真空中在壓縮狀態(tài)下進(jìn)行燒結(jié)處理(ST111)。由此獲得Ni/CNT復(fù)合燒結(jié)體(ST112)。通過這種技術(shù)，在利用顯微鏡觀察所得到的Ni/CNT復(fù)合燒結(jié)體的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)生良好的CNT分散。
本發(fā)明的發(fā)明人確定關(guān)于上述傳統(tǒng)技術(shù)的以下結(jié)論。
首先，由于需要進(jìn)行持續(xù)30小時(shí)的脫脂處理步驟(ST110)，制造成本很高。
其次，盡管分散性良好，但強(qiáng)度的提高并不能達(dá)到預(yù)期的效果。
特別是，上述傳統(tǒng)技術(shù)在制造成本和強(qiáng)度提高方面還具有改進(jìn)的余地。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制造技術(shù)，以使得在可以降低制造成本的同時(shí)，還可以提高強(qiáng)度。
本發(fā)明的發(fā)明人推定，無論分散性的好壞，CNF與基體(Ni)之間的粘著(或粘附)不良是強(qiáng)度提高達(dá)不到預(yù)期效果的原因。當(dāng)粘著不充分時(shí)，當(dāng)復(fù)合物在外力作用下變形時(shí)將在CNF與基體之間產(chǎn)生滑動(dòng)，從而導(dǎo)致CNF強(qiáng)化作用的損失。
因此，基于除了CNF的分散性之外提高CNF與基體之間的粘著性將會(huì)有效的思路進(jìn)行了研究，并得到了滿意的結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種制造碳納米復(fù)合金屬材料的方法，其包括以下步驟準(zhǔn)備基體金屬原料和微粒涂覆碳納米材料，該微粒涂覆碳納米材料通過將具有與碳進(jìn)行反應(yīng)以生成化合物的元素的微粒附著(粘附)在碳納米材料的整個(gè)表面上而獲得；將微粒涂覆碳納米材料和基體金屬原料混合；通過壓緊所得到的混合物進(jìn)行預(yù)成型；在真空、惰性氣體或非氧化氣體氣氛下將所得到的預(yù)成型件加熱到基體金屬原料的熔點(diǎn)或以上的溫度，并保持所述加熱溫度給定時(shí)間；通過冷卻至允許進(jìn)行基體金屬原料的熱加工的溫度并在該溫度下加壓預(yù)定時(shí)間而壓實(shí)所得到的熱處理體；以及冷卻所得到的壓實(shí)體。
以這種方式，根據(jù)本發(fā)明的制造方法，其中含有與碳進(jìn)行反應(yīng)以生成化合物的元素的微粒被附著在碳納米材料的整個(gè)表面上的微粒涂覆碳納米材料被選作原始材料。
例如，當(dāng)碳納米材料與基體金屬原料直接混合時(shí)，碳納米材料凝聚并不利于分散。為了解決該問題，傳統(tǒng)地，分散劑被添加。
通過本發(fā)明所使用的微粒涂覆碳納米材料，表面微粒發(fā)揮分離作用，因而不需要分散劑。因?yàn)椴恍枰稚撝幚聿襟E變得不再必要，從而可以降低制造成本。
當(dāng)通過混合和壓緊微粒涂覆碳納米材料和基體金屬原料而產(chǎn)生的預(yù)成型件(預(yù)制坯)被加熱到基體金屬原料的熔點(diǎn)或以上的溫度并放置給定時(shí)間時(shí)，熔融的微粒涂覆碳納米材料浸入基體金屬原料中。
在這種狀態(tài)下，當(dāng)溫度降低到可進(jìn)行熱加工的溫度時(shí)，進(jìn)行壓實(shí)處理，碳納米材料和基體金屬通過微粒緊密地結(jié)合在一起，因此復(fù)合金屬材料的強(qiáng)度可以大大增強(qiáng)。
可以進(jìn)行熱加工的溫度被設(shè)定得盡可能高。這樣，可以在低的壓力下進(jìn)行壓實(shí)，并且不必?fù)?dān)心如模具的限制等問題。
在低于可以進(jìn)行熱加工的溫度的溫度下，將產(chǎn)生加工性差和斷裂等不理想效果，因此難以進(jìn)行壓實(shí)處理。在高于可以進(jìn)行熱處理的溫度的高溫下，產(chǎn)生液相狀態(tài)，由于壓縮將發(fā)生液相的泄漏，因此壓力產(chǎn)生的效果變差，從而難以進(jìn)行壓實(shí)。
在上述冷卻步驟中，優(yōu)選的是，上述壓實(shí)體在加壓期間進(jìn)行冷卻。在冷卻時(shí)，由于冷卻速率的差異，在碳納米復(fù)合金屬材料中將產(chǎn)生應(yīng)力。在本發(fā)明中，應(yīng)力的產(chǎn)生通過加壓被抑制。結(jié)果，可以得到良好成形的碳納米復(fù)合金屬材料。
在上述冷卻步驟中，進(jìn)行擠出(或擠壓)成型步驟，因而碳納米復(fù)合金屬材料被擠出并成型。因?yàn)樘技{米復(fù)合金屬材料被擠出成型，碳納米材料的定向性得到增強(qiáng)，且可以獲得具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度、如抗拉強(qiáng)度的碳納米復(fù)合金屬材料。
優(yōu)選的是，所準(zhǔn)備的微粒涂覆碳納米材料由混合體形成步驟和真空氣相沉積步驟產(chǎn)生，其中在所述混合體形成步驟中，碳納米材料和碳化物形成微粒被混合，以獲得混合體，在所述真空氣相沉積步驟中，上述碳化物形成微粒在高溫、真空條件下蒸發(fā)，且沉積到上述碳納米材料的表面上。結(jié)果，因?yàn)樘蓟镄纬晌⒘Ｔ诟邷睾驼婵諚l件下蒸發(fā)并附著到碳納米材料的表面上，碳化物形成微粒均勻地附著到碳納米材料的表面上。
在混合體形成步驟中，優(yōu)選的是，有機(jī)溶劑、碳化物形成微粒和碳納米材料被裝入混合容器中，并被攪拌和干燥。結(jié)果，可以通過有機(jī)溶劑防止碳納米材料的凝聚。分散的碳納米材料由此可以由碳化物形成微粒涂覆。
優(yōu)選的是，Si(硅)或Ti(鈦)的碳化物形成微粒被使用。Si和Ti均為具有允許真空氣相沉積的熔點(diǎn)的金屬，且它們相對(duì)于熔融基體金屬的潤(rùn)濕性也很好。Si和Ti均很容易得到，且Si特別廉價(jià)，因此從本發(fā)明的方法的普及的角度來講是理想的。
上述基體金屬原料優(yōu)選為Mg(鎂)或Mg合金。在本發(fā)明的制造方法中，在真空下進(jìn)行處理，且易于與氧反應(yīng)的Mg和Mg合金均可以被處理。Mg和Mg合金為輕金屬，且因?yàn)樵谶@些金屬中加入碳納米材料可提高機(jī)械強(qiáng)度，可以提供輕且強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)材料，該材料也具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能和耐磨性。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種制造碳納米復(fù)合材料成型制品的方法，包括以下步驟準(zhǔn)備基體金屬原料和微粒涂覆碳納米材料，該微粒涂覆碳納米材料通過將具有與碳進(jìn)行反應(yīng)以生成化合物的元素的微粒附著在碳納米材料的整個(gè)表面上而獲得；將微粒涂覆碳納米材料和基體金屬原料混合；通過壓緊所得到的混合物進(jìn)行預(yù)成型；在真空、惰性氣體或非氧化氣體氣氛下將所得到的預(yù)成型件加熱到基體金屬原料的熔點(diǎn)或以上的溫度，并保持所述加熱溫度給定時(shí)間；通過冷卻至允許進(jìn)行基體金屬原料的熱加工的溫度并在該溫度下加壓預(yù)定時(shí)間而壓實(shí)所得到的熱處理體；冷卻所得到的壓實(shí)體；以及在冷卻步驟之后，模鑄(或壓鑄)所獲得的碳納米復(fù)合金屬材料。
在由所述碳納米復(fù)合金屬材料的制造方法所制造的碳納米復(fù)合金屬材料中，碳納米材料均勻地分散。通過提供具有這種類型的均勻混合條件的材料并進(jìn)行模鑄成型，可以很容易地進(jìn)行具有復(fù)雜形狀的成型制品的成型，并且可以制造具有高機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合金屬成型制品。



下面將參照附圖僅僅通過示例方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，其中 圖1(a)至1(d)是示出了本發(fā)明的混合體形成步驟和真空氣相沉積步驟的示意圖； 圖2是示出了微粒涂覆碳納米材料的示意圖； 圖3沿圖2中的線3-3剖開的橫截面圖； 圖4(a)至4(c)是示出了本發(fā)明的準(zhǔn)備步驟、混合步驟和預(yù)成型步驟的示意圖。
圖5是示出了在本發(fā)明的熱處理步驟、壓實(shí)步驟和冷卻步驟中使用的處理裝置的示意圖。
圖6是示出了熱處理步驟、壓實(shí)步驟和冷卻步驟的示意圖； 圖7(a)至7(c)是示出了擠出成型的示意圖； 圖8是示出了模鑄成型的示意圖； 圖9是由圖8中所示的模鑄成型裝置制造的碳納米復(fù)合金屬成型制品的透視圖； 圖10是示出了微粒涂覆碳納料材料的添加量與抗壓(壓縮)強(qiáng)度之間的關(guān)系的圖形； 圖11是示出了在擠出成型之后微粒涂覆碳納米材料的添加量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系的圖形； 圖12是示出了實(shí)驗(yàn)5至9與實(shí)驗(yàn)1 5至19之間的對(duì)比的圖形； 圖13是示出了傳統(tǒng)碳納米復(fù)合金屬材料的制造步驟的流程圖。

具體實(shí)施例方式 如圖1(a)所示，有機(jī)溶劑(如1升乙醇)11被裝入混合容器10中。碳化物形成微粒(如10克硅)12和碳納米材料(如10克)13被放入有機(jī)溶劑11中。接下來，通過攪拌器14進(jìn)行充分的攪拌(如以750rpm的速度攪拌2小時(shí))。在完成攪拌后，材料被抽吸過濾，并在高溫下(如100℃)在空氣中充分干燥(如3小時(shí))，從而產(chǎn)生如圖1(b)所示的混合體15。圖1(a)和圖1(b)一起構(gòu)成混合體形成步驟。
如圖1(c)所示，所得到的混合體15被放入由鋯蓋17覆蓋的鋯容器16中。該蓋17為非密封蓋，其允許在容器16的內(nèi)部與外部之間進(jìn)行空氣的流通。
如圖1(d)所示，真空爐20被準(zhǔn)備，其具有密封爐21、用于加熱爐21的內(nèi)部的加熱裝置22、用于支撐容器16的支架23、23、以及用于抽空爐21的內(nèi)部的真空泵24。容器16被置于該真空爐20中。
在真空爐20中，在真空中以1200℃的溫度加熱20小時(shí)。通過在真空中加熱，混合體15中的Si粉末被蒸發(fā)。蒸發(fā)的Si接觸形成化合物的碳納米材料的表面，且該材料被結(jié)合為硅微粒。圖1(c)和1(d)構(gòu)成真空氣相沉積步驟。
所得到的微粒涂覆碳納米材料的結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D2和圖3進(jìn)行描述。
關(guān)于微粒涂覆碳納米材料30，碳納米材料13的整個(gè)表面涂覆一層碳化物形成微粒31(含有與碳反應(yīng)以在整個(gè)表面上形成化合物的元素的微粒)。
因?yàn)樘蓟镄纬晌⒘８街教技{米材料13的表面上，例如SiC反應(yīng)層形成于界面處，且碳化物形成微粒層31緊密地附著到碳納米材料13上。結(jié)果，不必?fù)?dān)心碳化物形成微粒層31從碳納米材料13上脫落。另外，與碳納米材料13相比，碳化物形成微粒層31具有相對(duì)于基體金屬的附加改善的潤(rùn)濕性。
圖4(a)、4(b)和4(c)示出了準(zhǔn)備步驟、混合步驟和預(yù)成型步驟。
在圖4(a)的準(zhǔn)備步驟中，微粒涂覆碳納米材料30和通過切削金屬錠而產(chǎn)生的基體金屬原料32被準(zhǔn)備。
在圖4(b)的混合步驟中，微粒涂覆碳納米材料30和通過切削金屬錠而產(chǎn)生的基體金屬原料32被放入容器33中并利用棒34進(jìn)行充分的混合。例如，基體金屬原料32為純Mg或Mg合金。
在圖4(c)的預(yù)成型步驟中，將模具38置于底座37上。然后，混合物35被裝入該模具38中。接下來，插入沖頭39，從而壓緊(packing)混合物35。該壓緊的材料為預(yù)成型件(預(yù)制坯)41。
圖5示出了該實(shí)施例的加熱步驟、壓實(shí)步驟和冷卻步驟中使用的處理裝置的原理。
該處理裝置50由以下元件組成支撐預(yù)成型件41的下沖頭51；與下沖頭51相對(duì)并限制預(yù)成型件41或以壓力P1加壓的上沖頭52；圍繞預(yù)成型件41的加熱器53；完全包圍加熱器53、預(yù)成型件41等的腔室54；與該腔室54相連并將腔室的內(nèi)部置于真空狀態(tài)下的抽空裝置55；以及將氬惰性氣體吸入腔室54中的惰性氣體吸入裝置56。該處理裝置50根據(jù)圖6所示的控制圖進(jìn)行控制。
圖6是示出了加熱步驟、壓實(shí)步驟和冷卻步驟的示意圖。
在加熱步驟中，腔室的內(nèi)部被置于真空狀態(tài)下，且在保持這種真空狀態(tài)的同時(shí)或隨后，如氬的惰性氣體或如氮的非氧化氣體被引入。接下來，預(yù)成型件以預(yù)定的加熱速率(溫度升高)被加熱到700℃，并且當(dāng)達(dá)到700℃時(shí)，該材料被保持10分鐘，以得到圖5中所示的熱處理體57。
由于Mg的熔點(diǎn)為650℃，當(dāng)加熱到700℃時(shí)基體金屬原料熔化，并浸入到微粒附著碳材料中。持續(xù)10分鐘可發(fā)生充分的浸入。
如圖5所示，通過降低加熱器53的設(shè)定溫度，熱處理體57被冷卻到基體金屬原料可以被熱加工的溫度。因?yàn)镸g的熔點(diǎn)為650℃，如果該材料被冷卻到比之低約70℃的580℃，該表面將充分地凝固，并且不用擔(dān)心在壓力下液相的泄漏。
當(dāng)達(dá)到580℃時(shí)，上沖頭52下降，40MPa的壓力施加在熱處理體57上。該材料在壓力下以580℃的溫度保持10分鐘。在該保持期間，上沖頭52逐漸地下降。該下降過程繼續(xù)進(jìn)行5至7分鐘，并隨后停止下降。當(dāng)上沖頭52向下移動(dòng)時(shí)，在結(jié)構(gòu)(組織)中出現(xiàn)微小的空隙，且該空隙被壓實(shí)。當(dāng)上沖頭52的下降停止時(shí)，可以推斷已經(jīng)獲得足夠的密度。所得到的壓實(shí)體58由此被很好地壓實(shí)(或致密化)。
該壓實(shí)可在允許對(duì)基體金屬原料進(jìn)行熱加工的溫度下實(shí)施，但壓實(shí)所需的壓力取決于溫度。當(dāng)溫度高時(shí)，可以采用較小的壓力進(jìn)行壓實(shí)，甚至可以利用不是非常堅(jiān)固的碳模具很容易地進(jìn)行壓實(shí)。因此，優(yōu)選在盡可能高的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行壓實(shí)。
在低于熱加工溫度的較低溫度下，加工性能差，特別是對(duì)于Mg或Mg合金基體金屬原料而言，容易發(fā)生裂縫、裂紋等等，從而使得壓實(shí)變得困難。
在超過熱加工溫度的高溫下，產(chǎn)生液相狀態(tài)，并且將在壓力下產(chǎn)生液相的泄漏，因此壓力的效果變差，從而使得壓實(shí)變得困難。
當(dāng)冷卻到常溫時(shí)，在被上沖頭52限制的同時(shí)，所得到的壓實(shí)體58可以產(chǎn)生碳納米復(fù)合金屬材料59。在壓實(shí)體58中，表面溫度首先降低，且內(nèi)部部分的溫度緩慢降低。因此，可能出現(xiàn)由于溫度差異而產(chǎn)生稱作冷卻應(yīng)力的應(yīng)力的情況。通過利用上沖頭52持續(xù)施加的限制作用，可以抑制冷卻應(yīng)力的產(chǎn)生。但是，當(dāng)不擔(dān)心冷卻應(yīng)力時(shí)，可以在無壓力(壓實(shí)體58不被上沖頭52限制)的情況下進(jìn)行冷卻。
下面將描述未擠出碳納米復(fù)合金屬材料59的擠出成型的例子。
圖7(a)、7(b)和7(c)為本實(shí)施例的擠出步驟的說明圖。
在圖7(a)中，由具有孔61的容器62和壓頭63組成的擠出裝置60被準(zhǔn)備，容器62被加熱到預(yù)定溫度，且碳納米復(fù)合金屬材料59被保持在其中。接下來，壓頭63沿著以白色箭頭所示的方向擠壓。
在圖7(b)中，作為從孔61中擠出的結(jié)果，得到擠出的碳納米復(fù)合金屬材料65。
圖7(c)示出了擠出的碳納米復(fù)合金屬材料65的外部，其中在表面66上可以觀察到沿?cái)D出方向定向的碳納米材料13。
足夠數(shù)量的碳納米材料13包含在該表面上，從而提高了耐磨性。
雖然圖中未示出，當(dāng)觀察碳納米復(fù)合金屬材料65的橫截面時(shí)，在橫截面中可以觀察到沿?cái)D出方向定向的碳納米材料13。碳納米材料13由此均勻地分布，從而提高了機(jī)械強(qiáng)度。
圖8是關(guān)于本發(fā)明的模鑄成型的原理圖，其中金屬成型裝置70被準(zhǔn)備，以進(jìn)行模鑄成型。例如，該金屬成型裝置70優(yōu)選為這樣一種模鑄(機(jī))裝置，其中活塞(柱塞)73容納在設(shè)有進(jìn)料口71的加熱管72中，因此活塞可以進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊?3被噴射缸74驅(qū)動(dòng)，主要部分由蓋75覆蓋，加熱管72的端部與固定板78交匯。固定模具79連接在固定板78上，并且通過將可動(dòng)模具82連接到相對(duì)的可動(dòng)板81上，可以在模具79和82之間形成空腔(型腔)83。
圖7(c)中所示的碳納米復(fù)合金屬材料65或者圖5中所示的碳納米復(fù)合金屬材料59被加熱到部分熔融溫度，從而產(chǎn)生部分熔化物質(zhì)84。隨后，通過使用容器85或適宜的供給機(jī)構(gòu)將該部分熔化物質(zhì)84從材料供給口71澆注到加熱管72中。接下來，通過向前推進(jìn)活塞73，該部分熔化物質(zhì)84被注入到空腔83中。
當(dāng)在該部分融化溫度處停止加熱時(shí)，基料熔體為固相和液相的混合物，并且碳納米材料的運(yùn)動(dòng)受到限制。結(jié)果，碳納米材料的分散被維持。
圖9示出了可由圖8中的金屬成型裝置70制造的具有復(fù)雜形狀的碳納米復(fù)合金屬成型制品86。
由制造碳納米復(fù)合金屬材料的方法所制造的碳納米復(fù)合金屬材料65具有均勻分散的碳納米材料。因?yàn)橥ㄟ^在這種均勻混合狀態(tài)下供給材料進(jìn)行模鑄成型，即使在成型制品具有復(fù)雜形狀的情況下也可以很容易地進(jìn)行成型。另外，可以制造出具有高導(dǎo)熱率、機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性的碳納米復(fù)合金屬成型制品86。
實(shí)驗(yàn)例子 下面描述關(guān)于本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)例子，但是本發(fā)明并不局限于這些例子。
混合體形成步驟和真空氣相沉積步驟如圖1中所示，利用具有4μm的粒徑(顆粒直徑)的Si顆粒(碳化物形成顆粒)以及具有150nm的平均直徑和10至20μm的長(zhǎng)度的碳納米材料(氣相生長(zhǎng)碳纖維)制造微粒涂覆碳納米材料。
準(zhǔn)備步驟如圖4(a)所示，上述微粒涂覆碳納米材料和用作基體金屬原料的純度為99.9％、粒徑為180μm的Mg顆粒(或AZ91D，Mg合金顆粒)被準(zhǔn)備。
在ASTM AZ91D(模鑄鎂合金JIS H 5303；類似于MDC1D的產(chǎn)品)中定義的Mg合金的成分具有重量百分比大約為9％的鋁含量，其余的為微量元素、不可避免的雜質(zhì)和Mg。
混合步驟如圖4(b)所示，微粒涂覆碳納米材料以5至20％的質(zhì)量百分比被混合。
預(yù)成型步驟如圖4(c)所示，進(jìn)行預(yù)成型。
熱處理步驟如圖5和圖6所示，在氬氣氣氛、700℃(對(duì)于AZ91D為650℃)的溫度下保持10分鐘。
壓實(shí)步驟如圖5和圖6所示，在氬氣氣氛中并在40MPa的壓力和580℃(對(duì)于AZ91D為480℃)的溫度下保持10分鐘。
冷卻步驟如圖5和圖6所示，在氬氣中并在同時(shí)施加40Mpa的壓力的情況下冷卻至常溫，從而產(chǎn)生具有60mm的直徑和20mm的高度的碳納米復(fù)合金屬材料。
第一次評(píng)價(jià)在擠出之前從碳納米復(fù)合金屬材料中切出一些樣品條，并測(cè)量壓力(抗壓強(qiáng)度)。測(cè)量值如以下表1所示。
表1(％質(zhì)量百分比) 實(shí)驗(yàn)1至4采用純Mg作為基體金屬，實(shí)驗(yàn)5至9使用AZ91D作為基體金屬。對(duì)于實(shí)驗(yàn)1和5，為了便于對(duì)比，制造了不含微粒涂覆碳納米材料的結(jié)構(gòu)。將實(shí)驗(yàn)1作為100，實(shí)驗(yàn)4得出了145的值，由于微粒涂覆碳納米材料的質(zhì)量百分比為20％的含量，抗壓強(qiáng)度提高了45％。
圖10是示出了微粒涂覆碳納米材料的添加量和抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系的圖表，其中通過標(biāo)繪表1中的抗壓強(qiáng)度獲得圖形。
在實(shí)驗(yàn)1至4中，可以確定抗壓強(qiáng)度與微粒涂覆碳納米材料的添加量成比例地提高。而且，在實(shí)驗(yàn)5至9中，可以確定抗壓強(qiáng)度與微粒涂覆碳納米材料的添加量成比例地提高。
接下來，進(jìn)行一實(shí)驗(yàn)，其中在進(jìn)行擠出處理之前，對(duì)碳納米復(fù)合金屬材料進(jìn)行擠出成型加工。
擠出成型步驟參照?qǐng)D7進(jìn)行擠出成型。從上述碳納米復(fù)合金屬材料中切出直徑為43mm、高度為15mm的材料，并在350℃的擠出溫度、擠出率為25、壓頭速率為4mm/sec的條件下進(jìn)行擠出，從而產(chǎn)生直徑為8mm的擠出材料(擠出碳納米復(fù)合金屬材料)。
第二次評(píng)價(jià)從擠出材料(擠出碳納米復(fù)合金屬材料)中切出測(cè)試條(直徑為7mm，高度為7mm)，并測(cè)量抗壓強(qiáng)度。測(cè)量值如以下表2所示。
表2(％質(zhì)量百分比) 為方便起見，在實(shí)驗(yàn)1至9的序號(hào)上加上10而產(chǎn)生測(cè)試序號(hào)，從而得到實(shí)驗(yàn)11至19。更具體地說，實(shí)驗(yàn)11為在實(shí)驗(yàn)1中加入擠出過程，實(shí)驗(yàn)12至19為在實(shí)驗(yàn)2至9中加入擠出過程。
實(shí)驗(yàn)11至14采用純Mg作為基體金屬，實(shí)驗(yàn)15至19采用AZ91D作為基體金屬。為了便于對(duì)比，對(duì)于實(shí)驗(yàn)11和15，產(chǎn)生不含微粒涂覆碳納米材料的結(jié)構(gòu)。將實(shí)驗(yàn)11作為100，實(shí)驗(yàn)14得出了121的值，并且由于微粒涂覆碳納米材料的質(zhì)量百分比為20％的含量，抗壓強(qiáng)度由此提高了21％。
圖11是示出了微粒涂覆碳納米材料的添加量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系的圖表，其中通過標(biāo)繪表2中的抗壓強(qiáng)度獲得圖形。在實(shí)驗(yàn)11至14中，可以確定抗壓強(qiáng)度與微粒涂覆碳納米材料的添加量成比例地提高。而且，在實(shí)驗(yàn)15至19中，可以確定抗壓強(qiáng)度與微粒涂覆碳納米材料的添加量也成比例地提高。
圖12是示出了在實(shí)驗(yàn)5至9與實(shí)驗(yàn)15至19之間平行對(duì)比的圖形。與其中不進(jìn)行擠出成型的實(shí)驗(yàn)5至9對(duì)比，包括擠出成型的實(shí)驗(yàn)15至19顯示出抗壓強(qiáng)度提高了90至100MPa。因此可以確定，擠出成型的效果顯著。
雖然未給出詳細(xì)描述，當(dāng)Ti取代Si用作碳化物形成金屬(與金屬性碳反應(yīng)以形成化合物的元素)時(shí)，可以得到類似的機(jī)械強(qiáng)度提高效果。除了Si和Ti之外，鋯(Zr)或釩(V)也可用作碳化物形成金屬。
除了具有大約650℃的熔點(diǎn)的Mg或Mg合金之外，具有大約660℃的熔點(diǎn)的Al或Al合金、具有大約232℃的熔點(diǎn)的Sn或Sn合金、或者具有大約327℃的熔點(diǎn)的Pb或Pb合金也可用作基體金屬原料。
很明顯，基于上述教導(dǎo)，可以對(duì)本發(fā)明做出各種小變型和改進(jìn)。因此，應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，可以按照與以上特定描述不同的方式實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種制造碳納米復(fù)合金屬材料的方法，包括以下步驟
準(zhǔn)備基體金屬原料和微粒涂覆碳納米材料，所述微粒涂覆碳納米材料通過將具有與碳進(jìn)行反應(yīng)以生成化合物的元素的微粒附著在碳納米材料的整個(gè)表面上而獲得；
將所述微粒涂覆碳納米材料和所述基體金屬原料混合；
通過壓緊所得到的混合物進(jìn)行預(yù)成型；
在真空、惰性氣體或非氧化氣體氣氛下將所得到的預(yù)成型件加熱到基體金屬原料的熔點(diǎn)或以上的溫度，并保持所述加熱溫度給定時(shí)間；
通過冷卻至允許進(jìn)行基體金屬原料的熱加工的溫度并在所述溫度下加壓預(yù)定時(shí)間而壓實(shí)所得到的熱處理體；以及
冷卻所得到的壓實(shí)體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻步驟包括在加壓狀態(tài)下冷卻所述壓實(shí)體。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述冷卻步驟之后，所述碳納米復(fù)合材料被擠出成型。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所準(zhǔn)備的微粒涂覆碳納米材料通過以下步驟產(chǎn)生；
混合體形成步驟，其中通過混合碳納米材料和碳化物形成微粒得到混合體；
真空氣相沉積步驟，其中所得到的混合物被放入真空爐中，并且碳化物形成微粒在高溫真空條件下蒸發(fā)，并附著到碳納米材料的表面上。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合體形成步驟包括將有機(jī)溶劑、碳化物形成微粒和碳納米材料裝入混合容器中；以及攪拌和干燥這些內(nèi)容物。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述碳化物形成微粒為Si或Ti。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基體金屬原料為Mg或Mg合金。
8.一種制造碳納米復(fù)合材料成型制品的方法，包括以下步驟
準(zhǔn)備基體金屬原料和微粒涂覆碳納米材料，所述微粒涂覆碳納米材料通過將具有與碳進(jìn)行反應(yīng)以生成化合物的元素的微粒附著在碳納米材料的整個(gè)表面上而獲得；
將所述微粒涂覆碳納米材料和所述基體金屬原料混合；
通過壓緊所得到的混合物進(jìn)行預(yù)成型；
在真空、惰性氣體或非氧化氣體氣氛下將所得到的預(yù)成型件加熱到基體金屬原料的熔點(diǎn)或以上的溫度，并保持所述加熱溫度給定時(shí)間；
通過冷卻至允許進(jìn)行基體金屬原料的熱加工的溫度并在所述溫度下加壓預(yù)定時(shí)間而壓實(shí)所得到的熱處理體；
冷卻所得到的壓實(shí)體；以及
在所述冷卻步驟之后，模鑄所獲得的碳納米復(fù)合金屬材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述冷卻步驟包括在加壓狀態(tài)下冷卻所述壓實(shí)體。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，利用由對(duì)在所述冷卻步驟中得到的碳納米復(fù)合材料進(jìn)行擠出成型而得到的碳納米復(fù)合金屬材料實(shí)施所述模鑄步驟。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所準(zhǔn)備的微粒涂覆碳納米材料通過以下步驟產(chǎn)生；
混合體形成步驟，其中通過混合碳納米材料和碳化物形成微粒得到混合體；
真空氣相沉積步驟，其中所得到的混合物被放入真空爐中，并且碳化物形成微粒在高溫真空條件下蒸發(fā)，并附著到碳納米材料的表面上。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述混合體形成步驟包括將有機(jī)溶劑、碳化物形成微粒和碳納米材料裝入混合容器中；以及攪拌和干燥這些內(nèi)容物。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述碳化物形成微粒為Si或Ti。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述基體金屬原料為Mg或Mg合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于制造碳納米復(fù)合金屬材料的方法，該碳納米復(fù)合金屬材料具有增強(qiáng)的碳納米材料分散性以及增強(qiáng)的碳納米材料與基體金屬原料之間的附著性。通過在不需要分散劑的情況下混合基體金屬原料和微粒涂覆碳納米材料并接著壓緊該材料而得到的預(yù)成型件在基體金屬原料的熔點(diǎn)或以上的溫度下保持給定時(shí)間。在該狀態(tài)下，熱處理體被冷卻至允許進(jìn)行熱加工的溫度，并且進(jìn)行壓實(shí)處理。
文檔編號(hào)C22C1/05GK101182604SQ20071018695
公開日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者新井啓太, 柴大介, 菅沼雅資, 加藤敦史 申請(qǐng)人:日精樹脂工業(yè)株式會(huì)社