專利名稱:使用納米碳化硅涂層硬化碳材料界面的方法
技術領域:
本發明涉及ー種使用納米碳化娃涂層(coating)硬化碳材料界面(interface)的方法。
背景技術:
在日常生活中,鋁有多種用途,從廚房所用鋁箔到一次性餐具、窗戶、汽車、飛行器(aircraft)、宇宙飛船等等。鋁的重量輕(大約只有鐵重量的三分之一),并且可以與其它金屬煉制高強度的合金。而且,鋁的化學性質穩定,因為其表面附著的ー層化學性質穩定的氧化膜,抑制水分或氧氣等對其造成的腐蝕。此外,由于其具有比傳統的鐵重量輕的特性有助于提高燃料效率,鋁還被用作汽車、飛機等的零件材料。然而,相比于鐵,鋁的抗張強度 (tensile strength)只有鐵的40%。因此,鋁作為結構材料就大大增加了結構鋁管道或鋁面板的厚度,從而需要大量的材料,導致所需材料成本過高的問題。同時,通常已知的碳納米管(Carbon Nanotube, CNT)因其特征結構而具有高的機械性能。多壁碳納米管和碳纖維的抗張強度分別是63GPa (http ://en. wikipedia. org/wiki/Carbon nanotube)和 3. 5GPa (東_エ業公司(Toray industries))。已經有方法提出使用這樣的碳納米管來制備高強度的碳納米管/鋁復合材料(composite material)。制備方法包括粉末冶金法(powder metallurgical method),其中鋁或者鋁合金粉末與碳納米管混合,并且加壓加熱;半熔融攪拌凝固法(semi-fusionstirring solidifying method),其中半熔融的招合金在連續攪拌下同時加入預定量的碳納米管;以及熔融/加壓浸潰法(melting/pressurizing impregnation method),其中熔融的鋁合金使用多孔預制體浸潰,并且與加壓過的碳納米管復合。然而,當使用這些制備方法吋,由于鋁和碳納米管的比重差異很大,導致碳納米管很難均勻地分散在鋁金屬中。當使用熔融/澆鑄法來使其均勻分散吋,同樣存在ー個問題,即由于鋁和碳之間的共價鍵導致碳材料的分解。為了解決這樣的問題,已經進行了各種研究,比如通過使用碳納米管,并調整其尺寸(size)來制備納米顆粒的方法(韓國專利申請No. 10-2010-0010573),和將碳材料包封到鋁中的方法,等等。因此,本發明是為了解決現有技術中出現的上述問題。具體而言,通過使用球磨(ball mill)和高頻熱處理,使碳材料(如碳納米管)表面涂覆上納米碳化硅。此外,在熔融/澆鑄過程中,使用葉輪攪拌法將碳材料均勻分散到鋁中,同時抑制鋁和碳材料之間形成共價鍵。與常規的鋁相比,該方法顯著改進了鋁的機械性能。
發明內容
技術問題本發明的ー個目的是提供ー種通過在碳材料上涂覆納米碳化硅來硬化碳材料界面的方法。本發明的另ー個目的是提供一種通過使用碳材料來增強鋁的機械強度的方法。
本發明進一歩的目的是提供一種鋁復合材料,其中包封了具有高機械強度的碳材料。技術方案為了實現上述目的,本發明提供ー種形成Si-C共價鍵的方法,該方法包括以下步驟(a)通過混合娃納米顆粒和碳材料,制備娃-碳材料混合物;以及(b)對該娃-碳材料混合物通過高頻感應進行熱處理。在一方面,本發明提供ー種硬化碳材料界面的方法,該方法包括以下步驟(a)通過混合娃納米顆粒和碳材料,制備娃-碳材料混合物;以及(b)對該娃-碳材料混合物通過聞頻感應進行熱處通。 在另一方面,本發明提供一種將碳材料包封到鋁中的方法,該方法包括以下步驟(a)通過混合娃納米顆粒和碳材料,制備娃-碳材料混合物;(b)對該娃-碳材料混合物通過高頻感應進行熱處理以形成Si-C共價鍵;以及(C)混合形成有該Si-C共價鍵的該碳材料和該鋁,然后進行球磨。該方法可以進一歩包括將鋁加入到混合了該碳材料的該鋁中的步驟,然后進行熔融,以便提高鋁的機械強度。在本發明中,所述碳材料可以選自石墨、石墨纖維、碳纖維、碳納米纖維和碳納米管所組成的組中,但是本發明并不限制于此。已知目前使用的碳材料的直徑為O. 4nm到16 μ m,長度為IOnm到10cm。具體地,基于最進報道的數據(科學(Science) 292,2462(2001)),碳納米管的最小直徑尺寸為O. 4nm,碳纖維(商業化產品)的最大直徑為16 μ m(臺灣碳素科技公司(Taiwan Carbon Technology Co))。本發明中用作碳材料的多壁碳納米管的直徑為IOnm到20nm,長度為10 μ m到20 μ m。然而,根據本發明的方法并不局限于上述的碳材料尺寸。在本發明中,所述硅納米顆粒通過球磨制備,目的是調整硅粉的尺寸。在此,硅粉和碳材料的混合比可以在I重量%到50重量%范圍內。硅粉和碳材料連同球一起被引入到不銹鋼容器中,然后在惰性氣體氣氛中進行球磨。球磨在100轉數/分鐘(rpm)到5000rpm進行I小時到10小吋。然而,根據本發明的方法并不局限于上述的轉速(rpm)和時間。在本發明中,調整硅粉尺寸的方法主要包括使用球碾磨的步驟,和使用碳納米管碾磨的步驟(韓國專利申請10-2009-0009366)。圖2是本發明原理的概念視圖。為了實現本發明,如圖2a所示,在球磨期間必須將使用球研磨的步驟優先進行。隨著使用球對粉末顆粒進行研磨步驟的進行,顆粒通常接合在一起而不能再進行研磨。由于該原因,使用球磨機通過碾磨法來減小顆粒尺寸是有局限的;而同時,使用碳納米管能阻止顆粒接合在一起。進ー步地,使用碳納米管碾磨顆粒。圖2b示出的概念視圖是碳納米管碾磨微米級顆粒至納米級顆粒的原理。在本發明中,“混合”指使用球磨機混合,并且對硅-碳材料混合物進行球磨以均勻混合具有已調整尺寸的硅粉和碳材料。硅粉和碳材料的混合比在10重量%到80重量%的范圍內。硅粉和碳材料連同球一起被引入到不銹鋼容器中,然后在惰性氣體氣氛中進行球磨。球磨在IOOrpm到5000rpm進行I分鐘到2小時。然而,根據本發明的該方法并不局限于上述的轉速(rpm)和時間。在本發明中,為了在硅/碳材料混合物中形成Si-C共價鍵,使用高頻感應爐進行熱處理。硅/碳材料混合物被引入到石墨坩堝中,并且在真空中通過高頻感應進行熱處理。熱處理在900°C到1500°C下進行I分鐘到I小吋。然而,根據本發明的方法并不局限于上述熱處理的溫度和時間。在本發明中,為了包封含有Si-C共價鍵的碳材料于鋁粉中,將球磨在IOOrpm到500rpm進行I小時到12小吋。然而,根據本發明的方法并不局限于上述球磨的轉速(rpm)和時間。在本發明中,額外的鋁進一歩地加入到混合了碳材料(包封于鋁中)的鋁中,并且在500°C到700°C下融化I小時到3小時,然后使用葉輪進行攪拌。在真空中,攪拌在IOOrpm到500rpm進行10分鐘到2小時。在本發明中,高頻在IOOHz到400kHz的范圍內,具體地,在6kHz到7kHz的范圍內。
另外,本發明提供了ー種碳材料-鋁復合材料,該材料具有通過上述方法制備的鋁的高機械強度。有益效果根據本發明制備的碳材料-鋁復合材料重量輕,并且具有高動カ強度,因此可以用于當前使用的轎車和鋁車輪。此外,該復合材料可以用作要求高強度的飛行器、宇宙飛船、艦船等的材料。
圖I是根據本發明的一個實施例,通過使用碳化硅涂層硬化碳材料界面以改進鋁的機械性能的流程圖;圖2是根據本發明在使用碳納米管的納米顆粒制備方法中,每ー步原理的概念視圖;圖3是根據本發明的一個實施例,硅粉和碳納米管被球磨10小時后的狀態的電鏡照片(electron microscopic pnotograph);圖4是根據本發明的一個實施例,具有已調整尺寸的硅粉和碳納米管被球磨I小時后的狀態的電鏡照片;圖5是根據本發明的一個實施例,硅-碳納米管混合物通過高頻感應在1300°C進行熱處理I小時后的狀態的電鏡照片;圖6是根據本發明的一個實施例,硅-碳納米管混合物通過高頻感應在1300°C進行熱處理I小時后的狀態的X射線衍射分析圖;圖7是根據本發明的一個實施例,硅-碳納米管混合物通過高頻感應在1300°C進行熱處理I小時后的狀態的熱重分析(thermal gravimetric analysis)圖;圖8是根據本發明的一個實施例,具有硬化界面的碳材料(形成有Si-C共價鍵)和鋁被球磨6小時后的狀態的光學照片;圖9是根據本發明的一個實施例,在使用界面硬化的碳材料改進鋁機械性能過程中的測試樣品的光學照片;圖10是根據本發明的一個實施例,碳納米管分布情況的共聚焦拉曼光譜分析(confocal Raman analysisノ 圖;圖11是根據本發明的一個實施例,界面硬化的碳材料/鋁復合材料的機械性能的曲線圖12是根據本發明的一個實施例,界面硬化的碳材料/鋁復合材料的機械性能比較表。
具體實施例方式以下參考下列實施例,本文將更詳盡地描述本發明的結構和技術特性。然而下列實施例只是說明性的,本發明的范圍并不限定于此。本發明所引用的文件內容以引用的方式并入本文。實施例I :使用碳納米管制備硅納米顆粒為了通過球磨來調整硅粉尺寸,使用厚度為IOnm到20nm,長度為IOyn^Ij 20 μ m的多壁碳納米管(韓華納米科技公司(Hanwha Nanotech),CM95)作為碳納米管。娃粉買自奧德里奇(Aldrich)。硅粉和碳納米管一同引入到由SKDll制成的不銹鋼球磨罐(太明科 學公司(Taemyong science))中,然后經惰性氣體(気氣)凈化以抑制招的氧化。使用的碳納米管為30重量%。對于球磨,碾磨在300rpm進行10小時。在此,用于碾磨的球是直徑為5mm的氧化錯球(大韓公司(Daehan), DH. ML 1032)。圖3是ー張使用碳納米管制備的硅納米顆粒的電鏡照片(日本電子公司(JEOL),JSM7000F),該照片是在球磨10小時后,放大100,000倍觀察到的。可以看出經過10小時的碾磨可以觀察到硅納米顆粒。實施例2 :均勻混合硅納米粉末和碳納米管將由實施例I制備的硅納米粉末和碳納米管以3 5、6 5、12 5和20 5的比率引入到球磨罐中,然后經惰性氣體(氬氣)凈化來抑制氧化。球磨在230rpm進行I小吋。圖4是在比率為6 5,球磨I小時后,放大10,000倍觀察到的電鏡照片。可以看出硅納米粉末和碳納米管可均勻地混合。實施例3 :通過高頻感應進行熱處理以進行Si-C共價鍵的誘導和涂覆將在實施例2中混合的每ー個測試樣品引入到石墨坩堝(東邦碳素公司(Dongbang Carbon))中,然后在真空中使用高頻感應爐(Eltek公司)在1300°C進行熱處理I小吋。圖5a是在硅納米粉末和碳納米管的比率為3 5時,進行熱處理后放大100,000倍觀察到的電鏡照片。圖5b、5c和5d分別是在硅納米粉末和碳納米管的比率為6 5、12 5和20 5時,進行熱處理后放大100,000倍觀察到的電鏡照片。可以看出硅納米粉末均勻地涂覆在碳納米管的表面上。圖6是Si-C共價鍵的分析,該圖是通過X射線衍射儀(布魯克公司(BRUKER)AXS/D8 FOCUS (2. 2KW),CuK α I. 54 A)得到的。可以看出在所有的比率(3 5、6 5、12 5和20 5)下,都通過形成Si-C共價鍵而獲得SiC。如圖7所示,當熱處理在氧化氣氛中高達RT_800°C下進行時,通過熱重分析儀(Thermal Gravimetry Analyzer, TGA)來測定氧化溫度。圖7a是測量后各比率的TGA溫度/重量圖。原碳納米管(RAW CNT)是上述所用的多壁碳納米管(Hanwha Nanotech, CM95)。圖7b是TGA溫度/微分重量(Temp/Deriv. weight)圖,該圖是圖7a的微分曲線圖。該圖中,最高峰表明氧化進行最活躍時的氧化溫度。圖7c是按照濃度,通過測量圖7b中的氧化溫度得到的圖。未經Si-C共價鍵的誘導和涂覆的RAW CNT的氧化溫度為635で。在硅納米粉末和碳納米管的比率分別為3 5、6 5、12 5和20 5時,氧化溫度分別為679°C、699°C、697°C和708°C。從這些結果可以發現通過Si-C共價鍵的誘導和涂覆后,碳材料的界面被硬化了。實施例4 :使用鋁包封碳材料將如上所制具有Si-C共價鍵和涂層的碳納米管(6 5)和鋁粉一同引入到球磨罐中,然后經惰性氣體(氬氣)浄化來抑制鋁的氧化。球磨在230rpm進行6小時(韓國專利申請10-2007-0135267)。在此,具有Si-C共價鍵和涂層的碳納米管的濃度為5重量%。圖8是ー張球磨后使用數碼相機(尼康(Nikon) ,koolpix-3700)拍攝的照片。可以看出碳納米管被鋁包封。實施例5 :進ー步在形成膠囊的鋁中加入鋁,然后熔融和鋳型將由實施例4中制備的,包含5重量%碳納米管的形成膠囊的鋁用ALDC 12鋁錠(宇信金屬有限公司(Woosin metal co. ltd),KSD 2331)和葉輪攪拌進行熔融和澆鑄,從而提供含I重量%碳納米管的鋁錠。葉輪由石墨材料制成,攪拌是在真空,650到700°C,轉速為500rpm的條件下進行20分鐘。圖9a是由實施例4制備的鋁膠囊,圖9b是ALDC 12錠,圖9C是通過葉輪攪拌制備的I重量%碳納米管-招錠。為了觀察碳納米管的分布情況,使用共聚焦拉曼光譜儀(confocal Raman)進行測量。圖IOa是ー張光學照片,圖IOb是與對應于該光學照片的碳納米管拉曼峰的映射結果。從圖IOb的分析結果可以發現碳納米管分布均勻。為了測量機械性能,測試件由壓鑄法(die-casting)得到,然后用萬能拉カ機(UTM)設備進行抗張測試。圖11是原鋁錠(ALDC 12)和I重量%碳納米管-鋁的的抗張測試結果的曲線圖。圖12是該抗張測試的結果值。原測試件的抗張強度為235MPa,抗屈強度(yield strength)為 167MPa,楊氏模量(young,s modulus)為 61GPa,以及延伸率(elongation)為 I. 62% I重量%碳納米管-鋁的抗張強度為277MPa,抗屈強度為185MPa,楊氏模量為69GPa,以及延伸率為I. 76%。與原測試件相比,Si-C共價鍵和涂層使得界面硬化的碳納米管提高了機械性能,比如抗張強度提高了 18%,抗屈強度提高了 11%,楊氏模量提高了 13%,以及延伸率提高了 9%。雖然為說明的目的而對本發明的優選實施例進行了描述,但是本領域的技術人員 應該理解在不背離所附權利要求中所公開的本發明的范圍和精神的情況下,可以進行各種修改、添加和替換。
權利要求
1.ー種形成Si-C共價鍵的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟 (a)通過混合娃納米顆粒和碳材料,制備娃-碳材料混合物;以及 (b)對該硅-碳材料混合物通過高頻感應進行熱處理。
2.根據權利要求I所述的方法,其特征在于,所述碳材料是選自石墨、石墨纖維、碳纖維、碳納米纖維和碳納米管所組成的組中的至少ー種。
3.根據權利要求I所述的方法,其特征在于,所述碳材料的直徑為O.4nm到16 μ m,長度為IOnm到IOcm0
4.根據權利要求I所述的方法,其特征在于,所述硅納米顆粒通過球磨制備。
5.根據權利要求I所述的方法,其特征在于,所述硅-碳材料混合物通過球磨混合。
6.根據權利要求I所述的方法,其特征在于,所述高頻在IOOHz到400kHz的范圍內。
7.一種用于硬化碳材料界面的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟 (a)通過混合娃納米顆粒和碳材料,制備娃-碳材料混合物;以及 (b)對該硅-碳材料混合物通過高頻感應進行熱處理。
8.根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述碳材料是選自石墨、石墨纖維、碳纖維、碳納米纖維和碳納米管所組成的組中的至少ー種。
9.根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述碳材料的直徑為O.4nm到16 μ m,長度為IOnm到IOcm0
10.根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述硅納米顆粒通過球磨制備。
11.根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述硅-碳材料混合物通過球磨混合。
12.根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述高頻在IOOHz到400kHz的范圍內。
13.ー種用于將碳材料包封到鋁中的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟 (a)通過混合娃納米顆粒和碳材料,制備娃-碳材料混合物; (b)對該娃-碳材料混合物通過高頻感應進行熱處理以形成Si-C共價鍵;以及 (C)混合形成有該Si-C共價鍵的該碳材料和該鋁,然后進行球磨。
14.根據權利要求13所述的方法,其特征在于,所述碳材料是選自石墨、石墨纖維、碳纖維、碳納米纖維和碳納米管所組成的組中的至少ー種。
15.根據權利要求13所述的方法,其特征在干,所述碳材料的直徑為O.4nm到16 μ m,長度為IOnm到IOcm0
16.根據權利要求13所述的方法,其特征在于,所述硅納米顆粒通過球磨制備。
17.根據權利要求13所述的方法,其特征在于,所述硅-碳材料混合物通過球磨混合。
18.根據權利要求13所述的方法,其特征在于,所述高頻在IOOHz到400kHz的范圍。
19.一種用于提高鋁的機械強度的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟 (a)通過混合娃納米顆粒和碳材料來制備娃-碳材料混合物; (b)對該硅-碳材料混合物通過高頻感應進行熱處理以形成Si-C共價鍵; (C)通過混合形成有該Si-C共價鍵的該碳材料和鋁,將該碳材料包封于該鋁中,然后進行球磨;以及 (d)進ー步地,將鋁加入到混合了該碳材料的該鋁中,然后進行熔融。
20.根據權利要求19所述的方法,其特征在于,所述碳材料是選自石墨、石墨纖維、碳纖維、碳納米纖維和碳納米管所組成的組中的至少ー種。
21.根據權利要求19所述的方法,其特征在于,所述碳材料的直徑為O.4nm到16 μ m,長度為IOnm到IOcm0
22.根據權利要求19所述的方法,其特征在于,所述硅納米顆粒通過球磨制備。
23.根據權利要求19所述的方法,其特征在于,所述硅-碳材料混合物通過球磨混合。
24.根據權利要求19所述的方法,其特征在干,形成有所述Si-C共價鍵的所述碳材料通過高頻感應進行的所述熱處理形成。
25.根據權利要求19所述的方法,其特征在于,與所述碳材料混合的所述鋁通過球磨形成膠囊。
26.根據權利要求19所述的方法,其特征在于,所述高頻在IOOHz到400kHz范圍內。
27.ー種碳材料-鋁復合材料,其特征在于,通過如權利要求19所述的方法增強了鋁的機械強度。
全文摘要
本發明公開了一種通過使用納米碳化硅涂層硬化碳材料界面的方法。通過所述公開的方法制備的碳材料-鋁復合材料的重量輕,并且具有高動力強度,因此可以用于當前使用的轎車和鋁車輪。此外,該復合材料可以用作要求高強度的飛行器、宇宙飛船、艦船等的材料。
文檔編號B22F1/00GK102642833SQ20111024561
公開日2012年8月22日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年2月22日
發明者樸英佑, 李永熙, 蘇康杓, 金恩先 申請人:成均館大學校產學協力團, 株式會社大有新素材