本發(fā)明屬于tc4合金復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)韌fe@cnts/tc4復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

1、ti6al4v(tc4)合金是目前最常用的鈦合金之一，其具有重量輕、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)受到眾多學(xué)者的廣泛研究。然而，鈦合金在極端工作條件下的機(jī)械性能仍有一定限制，為了提高其應(yīng)用范圍，研究人員通過(guò)開發(fā)與設(shè)計(jì)鈦基復(fù)合材料（tmcs）來(lái)進(jìn)一步提升其綜合性能。鈦基復(fù)合材料因其重量輕、比強(qiáng)度高，良好的耐磨性等出色性能，在汽車船舶，生物醫(yī)療，航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。碳納米管(cnts)作為一維結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、出色的彈性模量與導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的陶瓷相增強(qiáng)體，對(duì)眾多金屬材料都有著較強(qiáng)的增強(qiáng)效果，如al、cu、ti等，是設(shè)計(jì)與制備出輕質(zhì)、高強(qiáng)度金屬基復(fù)合材料(mmcs)結(jié)構(gòu)的理想增強(qiáng)材料。然而，cnts由于其長(zhǎng)徑比大，易團(tuán)聚的缺點(diǎn)使其難以均勻分散在金屬基體中，cnts與鈦基體的相容性差，使cnts與金屬基體之間的潤(rùn)濕性差，二者之間難以產(chǎn)生較強(qiáng)的界面結(jié)合，以及制備過(guò)程中碳納米管的完美結(jié)構(gòu)易被破壞，導(dǎo)致與鈦基體產(chǎn)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，顯著制約了cnts在tmcs中的增強(qiáng)作用。

2、為了充分發(fā)揮cnts的增強(qiáng)作用，眾多研究者們采用了不同策略來(lái)提高碳納米管的分散性與加強(qiáng)界面之間的結(jié)合，如采用球磨、分子級(jí)混合等。然而高能球磨易導(dǎo)致cnts管壁上形成空位與開放邊緣，完美的石墨結(jié)構(gòu)受到破壞，容易使cnts在界面處形成碳化物。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是獲得高強(qiáng)韌fe@cnts/tc4復(fù)合材料。首先通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(pecvd)在tc4表面原位合成出均勻分散的cnts且不破壞cnts的石墨結(jié)構(gòu)，將cnts/tc4復(fù)合粉末通過(guò)浸漬法和h2還原，原位合成出fe@cnts/tc4復(fù)合粉末，并采用放電等離子燒結(jié)制得高強(qiáng)韌fe@cnts/tc4復(fù)合材料，該方法操作簡(jiǎn)單，工藝流程短，可推廣性強(qiáng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種高強(qiáng)韌fe@cnts/tc4復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、（1）浸漬法負(fù)載催化劑：將適量的fe(no3)3·9h2o與tc4粉末加入無(wú)水乙醇中，對(duì)混合物進(jìn)行超聲和磁力攪拌，確保分散均勻，將混合液在70~90℃下進(jìn)行磁力攪拌，直至溶劑完全蒸發(fā)，得到fe3+/tc4復(fù)合粉末；將所得fe3+/tc4復(fù)合粉末平鋪在石英舟上，送入管式爐中，在ar保護(hù)氣氛下升溫至450~550℃，然后將ar替換為h2，在h2氣氛中還原1?h~2?h，得到fe/tc4復(fù)合粉末；

5、（2）tc4表面原位合成cnts：將步驟（1）得到的fe/tc4復(fù)合粉末通過(guò)pecvd方法進(jìn)行原位生長(zhǎng)，從而在tc4表面原位合成高質(zhì)量、均勻分散的cnts，得到cnts/tc4復(fù)合粉末；

6、（3）fe@cnts/tc4復(fù)合粉末的制備：將步驟（2）得到的cnts/tc4復(fù)合粉末與fe(no3)3·9h2o加入到無(wú)水乙醇中，對(duì)混合物進(jìn)行磁力攪拌，確保分散均勻，將混合液在70~90℃下進(jìn)行磁力攪拌，直到溶劑完全蒸發(fā)，得到fe3+覆載cnts/tc4復(fù)合粉末；將該粉末平鋪在石英舟上，送入管式爐中，在ar保護(hù)氣氛下升溫至450~550℃，然后將ar替換為h2，在h2氣氛中還原1?h~2?h，得到fe@cnts/tc4復(fù)合粉末；

7、（4）高強(qiáng)韌fe@cnts/tc4復(fù)合材料的制備：將步驟（3）得到的fe@cnts/tc4復(fù)合粉末放入石墨模具中，施加15~25?mpa的壓力進(jìn)行預(yù)壓5~10分鐘，隨后在放電等離子體燒結(jié)系統(tǒng)中進(jìn)行燒結(jié)固化，得到所述高強(qiáng)韌fe@cnts/tc4復(fù)合材料。

8、進(jìn)一步的，步驟（1）中fe/tc4復(fù)合粉末中fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01~0.1?wt.%。

9、進(jìn)一步的，步驟（1）中ar氣體流量100~200?ml/min，h2氣體流量100~200?ml/min。

10、進(jìn)一步的，步驟（2）中的pecvd生長(zhǎng)條件包括：溫度為500~600℃，生長(zhǎng)時(shí)間為15~60min，射頻功率為50~100w，ar和ch4的氣體體積比例為4：1~3：1。ar氣體流量100~200?ml/min，ch4的氣體流量25~75?ml/min。

11、進(jìn)一步的，步驟（3）中fe@cnts/tc4復(fù)合粉末中fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3~1?wt.%。

12、進(jìn)一步的，步驟（3）中ar氣體流量100~200?ml/min，h2氣體流量100~200?ml/min。

13、進(jìn)一步的，步驟（4）中燒結(jié)溫度為750~950℃，升溫速率為90~100℃/min，燒結(jié)壓力60~80?mpa，保溫10~20?min，隨爐冷卻。

14、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

15、（1）在催化劑負(fù)載工藝的選擇中，本發(fā)明通過(guò)選擇浸漬法，不僅更具成本效益，并且實(shí)現(xiàn)了催化劑顆粒的均勻負(fù)載，為后續(xù)結(jié)合pecvd原位生長(zhǎng)高質(zhì)量、均勻分散的cnts奠定了基礎(chǔ)。

16、（2）本發(fā)明在不破壞cnts結(jié)構(gòu)的情況下，采用浸漬法對(duì)cnts/tc4復(fù)合粉末進(jìn)行fe的覆載，fe顆粒均勻填充在cnts與tc4空隙處，增強(qiáng)了ti/c的界面結(jié)合，有效地提高sps燒結(jié)后復(fù)合材料的力學(xué)性能。

17、（3）本發(fā)明fe@cnts/tc4復(fù)合粉末的工藝方法操作簡(jiǎn)單，工藝流程短，設(shè)備要求低，成本較低，具有良好的可推廣性。

技術(shù)特征：

1.一種高強(qiáng)韌fe@cnts/tc4復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟（1）中fe/tc4復(fù)合粉末中fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01~0.1?wt.%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟（1）中ar氣體流量100~200?ml/min，h2氣體流量100~200?ml/min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟（2）中的pecvd生長(zhǎng)條件包括：溫度為500~600℃，生長(zhǎng)時(shí)間為15~60?min，射頻功率為50~100w，ar和ch4的氣體體積比例為4：1~3：1，ar氣體流量100~200?ml/min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟（3）中fe@cnts/tc4復(fù)合粉末中fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3~1?wt.%。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟（3）中ar氣體流量100~200?ml/min，h2氣體流量100~200?ml/min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟（4）中燒結(jié)溫度為750~950℃，升溫速率為90~100℃/min，燒結(jié)壓力60~80?mpa，保溫10~20?min，隨爐冷卻。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及鈦基復(fù)合材料的技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種高強(qiáng)韌Fe@CNTs/TC4復(fù)合材料的制備方法。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)在Ti6Al4V(TC4)表面原位合成CNTs，有效解決了采用傳統(tǒng)球磨方式時(shí)CNTs分散困難、損傷大的難題，并且通過(guò)浸漬法在CNTs/TC4復(fù)合粉末表面原位覆載鐵納米顆粒改善鈦的自擴(kuò)散能力，結(jié)合放電等離子燒結(jié)制備綜合力學(xué)性能優(yōu)異的Fe@CNTs/TC4復(fù)合材料。該方法通過(guò)覆載鐵納米顆粒實(shí)現(xiàn)了Ti/C界面的緊密結(jié)合，顯著提高了CNTs/TC4復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度并且獲得了良好的延展性。本發(fā)明制備方式簡(jiǎn)單，具有可推廣性。

技術(shù)研發(fā)人員：陳俊鋒,林斌,陳昊陽(yáng),劉嚴(yán),肖紅婷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15