CN104911388B - 用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，涉及有开或闭孔隙的合金的制造，是一种通过尿素作为造孔剂和通过镍作为碳纳米管合成的催化剂，原位合成用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，步骤如下：硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末的制备；泡沫铝毛坯的制备；碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备。本发明方法克服了现有技术中所制备的泡沫铝材料存在结构缺陷，力学性能和缓冲吸能性能低，密度大，不具备轻质特性，且制备工艺过程复杂，成本较高，难以实现用作吸能材料的泡沫铝功能结构的一体化的缺陷。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及有开或闭孔隙的合金的制造，具体地说是用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法。
背景技术
为了保证航空、航天飞行器的安全、高效飞行以及提高坠撞安全性，需要使用大量轻质泡沫材料，其中，作为飞机失事碰撞和航天回收系统返回舱着陆过程的减振吸能材料，受到广大研究者的关注。目前，在航空航天中使用的吸能材料有：蜂窝材料、泡沫金属类材料、高分子聚合物材料和复合材料等。这些材料由于具有良好的吸收机械振动或冲击及高频减振的物理特性，可用作航天器承力筒、防振座椅、机舱地板材料和抗冲击舱底。但是，其中高分子聚合物材料和复合材料存在多种缺点，如易燃、强度低、疲劳寿命短及吸能率低；蜂窝材料存在的缺点在于，其径向与切向性能相差甚远，且基本无法进行机加工。相比之下，用作吸能材料的泡沫金属是一种集多种优良性能于一身的新型结构功能材料，其具有比表面积大、比刚度高、冲击能量吸收率高、孔隙率高、防火防爆性能好、阻尼减振性能好、隔声、吸声、电磁屏蔽和散热性良好的优点。然而，目前现有技术制备孔隙率可控和孔结构均匀的高质量泡沫金属还具有一定难度，且制备工艺过程复杂，成本较高，难以实现用作吸能材料的泡沫金属功能结构的一体化。因此，用作吸能材料的综合性能优异的泡沫金属的制备仍是当前科研领域的热点和难点。
在众多泡沫金属材料中，由于铝具有重量轻和良好的延展性、可成形性、导电性、导热性和耐热性的优点，因而泡沫铝成为泡沫金属中的研究重点。在航天工程中，同时具有多项优良性能的泡沫铝是航空航天领域一直追寻的理想结构材料，尤其是泡沫铝的吸能特性使其能够在冲击作用下消耗大量的能量，提高安全性能。在使用泡沫铝进行吸能的过程中，主要是利用泡沫铝塑性屈服平台阶段相邻变形层孔壁弯曲或屈服，以及变形层的连续坍塌而应力基本不变的原理来进行能量吸收。为了在满足吸能要求的同时，提高泡沫铝的强度，从而进一步提高它的吸能效率，各种增强泡沫铝的复合材料不断被研发出来。例如，CN101876009A报道了一种陶瓷颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法，其所使用的陶瓷颗粒为SiC，采用固态热压烧结和热挤压变形工艺制备出孔径分布均一，屈服强度提高的泡沫铝复合材料，其压缩屈服强度达到36～70MPa。CN101798665A报道了一种铝基泡沫材料的制备方法，将碳纤维加入到泡沫铝中，使复合材料的压缩强度高于6MPa，冲击韧性提高约30％，能量吸收能力提高50％以上。CN103540785A报道了一种镁铝金属间化合物增强泡沫铝的方法，增加了泡沫铝的抗压强度，在压缩率为10％～60％时，压缩强度提高了3.2倍，并保持了泡沫铝良好的吸能特性。上述现有技术中，在泡沫铝制备中使用了各种增强相，虽然在一定程度上改善了泡沫铝的结构和性能，但其普遍存在的缺点是：所制备的泡沫铝材料存在结构缺陷、力学性能和缓冲吸能性能低、密度大和不具备轻质特性。与所有的泡沫金属制备一样，目前现有技术制备孔隙率可控和孔结构均匀的高质量泡沫铝还具有一定难度，且制备工艺过程复杂，成本较高，难以实现用作吸能材料的泡沫铝功能结构的一体化。
在各种增强泡沫铝的复合材料中，碳纳米管增强泡沫铝的研究成为近期研究的热点。自发现以来，碳纳米管凭借独特的结构、优异的力学、电学和热学等特性和巨大潜力的应用前景，受到科学界的广泛关注。碳纳米管具有良好的力学性能，其抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，而密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa。使用碳纳米管作为复合材料的增强相,可使复合材料表现出轻质、良好的强度、硬度和抗疲劳性等的综合性能。而且，在泡沫铝屈服平台吸能过程中，碳纳米管在铝基体中可起第二相增强的作用，通过实现载荷的迁移和加工硬化，能承受更大的应力，延长平台区，提高能量吸收率。因此，将碳纳米管来增强泡沫铝可以在泡沫铝吸收能量的过程中起性能大幅度提升的关键作用，研发碳纳米管增强泡沫铝复合材料来用于减振吸能具有重要的理论和实践价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，是一种通过尿素作为造孔剂和通过镍作为碳纳米管合成的催化剂，原位合成用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，克服了现有技术中所制备的泡沫铝材料存在结构缺陷，力学性能和缓冲吸能性能低，密度大，不具备轻质特性，且制备工艺过程复杂，成本较高，难以实现用作吸能材料的泡沫铝功能结构的一体化的缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，是一种通过尿素作为造孔剂和通过镍作为碳纳米管合成的催化剂，原位合成用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，步骤如下：
第一步，硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末的制备：
首先将粒径为0.45～2mm的球形尿素颗粒置于电热恒温干燥箱中，于60～80℃干燥1～2h，将硝酸镍颗粒置于电热恒温干燥箱中，于35～45℃干燥1～2h，将干燥后的硝酸镍颗粒在行星式球磨机上以200rpm/min的转速球磨30～60min，按照质量比为硝酸镍:铝粉＝0.001～0.02的比例，称取球磨后的硝酸镍和粒径为40～60μm的雾化铝粉，将二者放入球磨罐中，在球磨机上以200rpm/min的转速进行球磨30～60min，得到硝酸镍和铝粉均匀混合的粉末，按照体积比为铝粉:尿素＝0.11～4:1的比例称取干燥后的尿素颗粒，与上述球磨后的硝酸镍和铝粉的混合粉末在研钵中进行混合，混合过程中添加占总混合粉质量5～10％的无水乙醇，制得硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末；
第二步，泡沫铝毛坯的制备：
将第一步制得的硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末置于冷压模具中，在压制压力150～400MPa、保压时间30～60s的条件下进行压制，得到圆柱形压坯，将该压坯置于放置在管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为50～200mL/min的氩气，使管式炉以2～5℃/min的升温速度升至300～350℃，保温30～60min，对该压坯料进行烧结，以去除尿素颗粒，并使硝酸镍分解为氧化镍，而后将水平管式炉冷却到室温，制得孔隙均匀和孔隙率为18～91％的泡沫铝毛坯；
第三步，碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备：
将第二步制得的泡沫铝毛坯置于在水平管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为50～400mL/min的氩气，使管式炉以2～10℃/min的升温速度升至500～600℃，而后关闭氩气，同时以50～250mL/min的流量向该水平管式炉中通入氢气0.5～2h，然后关闭氢气，同时以250～450mL/min的流量向该水平管式炉中通入氩气和丙烯的混合气体进行催化裂解，其中氩气和丙烯的体积比为20～40:1，保持0.5～2h后关闭丙烯，调整氩气流量为50～200mL/min，使管式炉在氩气气氛下冷却至室温，即制得用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料。
上述用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，所涉及的原材料均通过商购获得，所用的设备和工艺均是本技术领域的技术人员所熟知的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明方法所具有突出的实质性特点如下：
(1)在本发明的设计过程中，充分考虑了基体材料对缓冲吸能性能的影响，在保证泡沫金属具有轻质特性的前提下，选择铝作为吸能材料的基体材料并创新性地设计了具有优异变形能力的碳纳米管来增强泡沫铝制备出碳纳米管增强泡沫铝复合材料，同时采用粉末冶金和原位化学气相沉积相结合的工艺，在泡沫铝基体中原位生长碳纳米管。这种碳纳米管增强泡沫铝复合材料在压缩屈服平台阶段，相邻变形层孔壁发生弯曲或屈服以及变形层发生连续坍塌时，应力基本不变。由于碳纳米管增强泡沫铝复合材料的变形能力强，塑性变形时产生缺陷较少，保证了变形的平稳连续。此外，碳纳米管在泡沫铝基体中可起第二相增强的作用，可实现载荷的传递并承载较大的应力，延长平台区，提高能量吸收率。此外，本发明所制备的碳纳米管增强泡沫铝复合材料，通过合成工艺的控制，可实现孔隙率18～91％，屈服强度25～105MPa，杨氏模量5～10GPa，吸能率50％～92％，具有优异的力学性能和高的缓冲吸能效率。
(2)在本发明的设计过程中，充分考虑了增强相自身力学性能对泡沫铝力学和吸能性能的影响，创新性地设计了使用综合性能优异的碳纳米管作为增强相。本发明通过原位化学气相沉积工艺，使得碳纳米管增强相原位自生于泡沫铝基体中，碳纳米管在具有轻质、高强度的同时，也具有优异的韧性，从而与变形能力较强的泡沫铝基体变形过程相匹配。高强、柔韧的碳纳米管在泡沫铝基体中原位合成、与基体结合良好，可起第二相增强的作用，通过实现载荷迁移和承载应力，可延长吸能平台区，提高泡沫铝的能量吸收率。
(3)在本发明的设计过程中，充分考虑了航空航天领域对吸能材料轻质特性的要求，创新性地使用了具有轻质特性的碳纳米管作为泡沫铝的增强相，所合成的多壁碳纳米管的密度仅1.8g/cm3左右，远低于铝基体的密度2.7g/cm3。使用碳纳米管作为增强相，不仅强化了泡沫铝基体，而且赋予了泡沫铝更低的密度。因而，本发明采用碳纳米管作为泡沫铝的增强相，泡沫铝的密度小，具备轻质特性。
(4)在本发明的设计过程中，充分考虑了造孔剂的类型、粒径选择及其对泡沫铝吸能性能的影响，筛选了球形尿素颗粒进行造孔，而且，尿素颗粒在后续的烧结过程中，将升温速率控制在2～5℃/min内，使得尿素的分解过程稳定进行并实现完全分解，不仅获得了孔径均匀、形态与结构理想和孔壁光滑的孔隙，保证了压缩变形过程中孔壁的均匀塑性变形，而且对泡沫铝的吸能性能也无不良影响。因此，本发明所采用的造孔剂尿素颗粒在处理过程中已完全分解，保证了泡沫铝吸能性能的稳定发挥。
(5)在本发明的设计过程中，为避免增强相在泡沫铝基体中的团聚和外来污染物的引入，采用了金属基复合材料制备技术中先进的原位合成法进行泡沫铝基复合材料制备，即采用化学气相沉积法使丙烯碳源在泡沫铝基体中分解，原位沉积合成的碳纳米管弥散分布于泡沫铝基体中，彻底克服了传统外加法的弊端，简单和便捷地实现了碳纳米管增强相在泡沫铝基体中的均匀分散。同时，碳纳米管增强相原位生长于泡沫铝基体中，能显著改善增强相与基体的界面结合状况，有利于碳纳米管增强泡沫铝基复合材料综合性能的提高。
与现有技术相比，本发明方法所具有的显著进步如下：
(1)与现有技术CN103862051A相比，用本发明方法所制得的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的基体变形能力明显增强，复合材料力学性能和缓冲吸能性能显著提高。
(2)与现有技术CN102776418A、CN101876009A和CN103540785A相比，本发明方法克服了上述现有技术制得的产品采用硬而脆的增强相降低铝基体的变形能力、缓冲吸能性能低，制备工艺过程存在的缺陷导致泡孔结构、形态存在缺陷、对缓冲吸能性能有不良影响，以及增强相较高的密度导致泡沫铝的密度大、不具备轻质特性等问题。
(3)与现有技术CN101798665A相比，用本发明方法采用综合性能更优异的碳纳米管作为泡沫铝的增强相，同时，通过原位合成工艺实现了增强相在泡沫铝基体中更均匀的分散，所制得的碳纳米管增强泡沫铝复合材料缓冲吸能性能显著提升。
(4)用本发明方法所制得的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的吸能率达到50％～92％，均高于上述现有专利技术制得的泡沫金属的缓冲吸能性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例1所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料断面的扫描电子显微镜照片。
图2为本发明实施例1所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料孔壁上碳纳米管的扫描电子显微镜照片。
图3为本发明实施例1所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料中碳纳米管的高分辨透射电子显微镜照片。
图4为本发明实施例1所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料压缩过程中的应力-应变曲线。
图5为本发明实施例2所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料压缩过程中的应力-应变曲线。
具体实施方式
实施例1
第一步，硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末的制备：
首先将粒径为0.45mm的球形尿素颗粒置于电热恒温干燥箱中，于60℃干燥1h，将硝酸镍颗粒置于电热恒温干燥箱中，于35℃干燥1h，将干燥后的硝酸镍颗粒在行星式球磨机上以200rpm/min的转速球磨30min，按照质量比为硝酸镍:铝粉＝0.001的比例，称取球磨后的硝酸镍和粒径为40μm的雾化铝粉，将二者放入球磨罐中，在球磨机上以200rpm/min的转速进行球磨30min，得到硝酸镍和铝粉均匀混合的粉末，按照体积比为铝粉:尿素＝0.11:1的比例称取干燥后的尿素颗粒，与上述球磨后的硝酸镍和铝粉的混合粉末在研钵中进行混合，混合过程中添加占总混合粉质量5％的无水乙醇，制得硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末；
第二步，泡沫铝毛坯的制备：
将第一步制得的硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末置于冷压模具中，在压制压力150MPa、保压时间30s的条件下进行压制，得到圆柱形压坯，将该压坯置于放置在管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为50mL/min的氩气，使管式炉以2℃/min的升温速度升至300℃，保温30min，对该压坯料进行烧结，以去除尿素颗粒，并使硝酸镍分解为氧化镍，而后将水平管式炉冷却到室温，制得孔隙均匀和孔隙率为91％的泡沫铝毛坯；
第三步，碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备：
将第二步制得的泡沫铝毛坯置于在水平管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为50mL/min的氩气，使管式炉以2℃/min的升温速度升至500℃，而后关闭氩气，同时以50mL/min的流量向该水平管式炉中通入氢气0.5h，然后关闭氢气，同时以250mL/min的流量向该水平管式炉中通入氩气和丙烯的混合气体进行催化裂解，其中氩气和丙烯的体积比为20:1，保持0.5h后关闭丙烯，调整氩气流量为50mL/min，使管式炉在氩气气氛下冷却至室温，即制得用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料。
图1为本实施例所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料断面的扫描电子显微镜照片。由该图可见，图中均匀分布着短轴直径约0.5mm的椭圆孔，在垂直于压制方向上，圆孔被压成椭圆形。从该图可以看出，该泡沫铝孔径分布均匀，有利于避免屈服平台阶段变形层坍塌速率的波动，使得平台区更加平稳，从而提高吸能效果。
图2为本实施例所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料孔壁上碳纳米管的扫描电子显微镜照片。图中细小的短棒为生长于孔壁上的碳纳米管，其长度约为0.2～0.3微米，管径约为50～60纳米，碳纳米管成功地在泡沫铝的孔壁上原位合成，且分散性较好，在压缩过程中，可以有效地实现载荷的迁移，延长平台区，从而提高吸能效率。
图3为本实施例所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料中碳纳米管的高分辨透射电子显微镜照片。由该图可见，碳纳米管管径均一，中空度较好，具有典型多壁碳纳米管理想的形态和结构，有利于在承受载荷过程中有效地传递载荷并承受更大的应力，提高泡沫铝基体的综合性能，尤其是吸能效率的提高。
图4为本实施例所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料压缩过程中的应力-应变曲线。由该图可以看出，应力-应变曲线出现四个阶段。第一阶段：应变值为0～0.05，此阶段是由于制备的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的边缘处棱角部分被压缩；第二阶段：应变值为0.05～0.1，为线弹性变形阶段，主要是孔棱处出现弹性压缩变形；第三阶段：应变值为0.1～0.5，为塑性屈服平台阶段，胞孔结构被压缩，应变发生改变而应力变化不大；第四阶段：应变值>0.5，为致密阶段，试样胞孔结构完全坍塌，进入压实阶段，应力随应变急剧增加。吸能率以曲线下剖面线区域面积与对应横、纵坐标所围成矩形面积的比值计算，在应变为0.4时，吸能率为61.13％。
实施例2
第一步，硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末的制备：
首先将粒径为1.2mm的球形尿素颗粒置于电热恒温干燥箱中，于70℃干燥1.5h，将硝酸镍颗粒置于电热恒温干燥箱中，于40℃干燥1.5h，将干燥后的硝酸镍颗粒在行星式球磨机上以200rpm/min的转速球磨45min，按照质量比为硝酸镍:铝粉＝0.01的比例，称取球磨后的硝酸镍和粒径为50μm的雾化铝粉，将二者放入球磨罐中，在球磨机上以200rpm/min的转速进行球磨45min，得到硝酸镍和铝粉均匀混合的粉末，按照体积比为铝粉:尿素＝2:1的比例称取干燥后的尿素颗粒，与上述球磨后的硝酸镍和铝粉的混合粉末在研钵中进行混合，混合过程中添加占总混合粉质量8％的无水乙醇，制得硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末；
第二步，泡沫铝毛坯的制备：
将第一步制得的硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末置于冷压模具中，在压制压力300MPa、保压时间45s的条件下进行压制，得到圆柱形压坯，将该压坯置于放置在管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为120mL/min的氩气，使管式炉以3℃/min的升温速度升至325℃，保温45min，对该压坯料进行烧结，以去除尿素颗粒，并使硝酸镍分解为氧化镍，而后将水平管式炉冷却到室温，制得孔隙均匀和孔隙率为35％的泡沫铝毛坯；
第三步，碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备：
将第二步制得的泡沫铝毛坯置于在水平管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为250mL/min的氩气，使管式炉以6℃/min的升温速度升至550℃，而后关闭氩气，同时以150mL/min的流量向该水平管式炉中通入氢气1.5h，然后关闭氢气，同时以350mL/min的流量向该水平管式炉中通入氩气和丙烯的混合气体进行催化裂解，其中氩气和丙烯的体积比为30:1，保持1h后关闭丙烯，调整氩气流量为120mL/min，使管式炉在氩气气氛下冷却至室温，即制得用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料。
图5为本实施例所制得的用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料压缩过程中的应力-应变曲线。由该图可见，应力-应变曲线出现四个阶段。第一阶段：应变值为0～0.05；第二阶段：应变值为0.05～0.1；第三阶段：应变值为0.1～0.5；第四阶段：应变值>0.5。在应变为0.4时，吸能率为75.86％。
实施例3
第一步，硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末的制备：
首先将粒径为2mm的球形尿素颗粒置于电热恒温干燥箱中，于80℃干燥2h，将硝酸镍颗粒置于电热恒温干燥箱中，于45℃干燥2h，将干燥后的硝酸镍颗粒在行星式球磨机上以200rpm/min的转速球磨60min，按照质量比为硝酸镍:铝粉＝0.02的比例，称取球磨后的硝酸镍和粒径为60μm的雾化铝粉，将二者放入球磨罐中，在球磨机上以200rpm/min的转速进行球磨60min，得到硝酸镍和铝粉均匀混合的粉末，按照体积比为铝粉:尿素＝4:1的比例称取干燥后的尿素颗粒，与上述球磨后的硝酸镍和铝粉的混合粉末在研钵中进行混合，混合过程中添加占总混合粉质量10％的无水乙醇，制得硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末；
第二步，泡沫铝毛坯的制备：
将第一步制得的硝酸镍、尿素和铝粉的混合粉末置于冷压模具中，在压制压力400MPa、保压时间60s的条件下进行压制，得到圆柱形压坯，将该压坯置于放置在管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为200mL/min的氩气，使管式炉以5℃/min的升温速度升至350℃，保温60min，对该压坯料进行烧结，以去除尿素颗粒，并使硝酸镍分解为氧化镍，而后将水平管式炉冷却到室温，制得孔隙均匀和孔隙率为18％的泡沫铝毛坯；
第三步，碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备：
将第二步制得的泡沫铝毛坯置于在水平管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为400mL/min的氩气，使管式炉以10℃/min的升温速度升至600℃，而后关闭氩气，同时以250mL/min的流量向该水平管式炉中通入氢气2h，然后关闭氢气，同时以450mL/min的流量向该水平管式炉中通入氩气和丙烯的混合气体进行催化裂解，其中氩气和丙烯的体积比为40:1，保持2h后关闭丙烯，调整氩气流量为200mL/min，使管式炉在氩气气氛下冷却至室温，即制得用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料。
上述实施例中所涉及的原材料均通过商购获得，所用的设备和工艺均是本技术领域的技术人员所熟知的。
Claims (1)
1.用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于：是一种通过尿素作为造孔剂和通过镍作为碳纳米管合成的催化剂，原位合成用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备方法，步骤如下：
第一步，硝酸镍、尿素和雾化铝粉的混合粉末的制备：
首先将粒径为0.45～2mm的球形尿素颗粒置于电热恒温干燥箱中，于60～80℃干燥1～2h，将硝酸镍颗粒置于电热恒温干燥箱中，于35～45℃干燥1～2h，将干燥后的硝酸镍颗粒在行星式球磨机上以200rpm/min的转速球磨30～60min，按照质量比为硝酸镍:雾化铝粉＝0.001～0.02的比例，称取球磨后的硝酸镍和粒径为40～60μm的雾化铝粉，将二者放入球磨罐中，在球磨机上以200rpm/min的转速进行球磨30～60min，得到硝酸镍和雾化铝粉均匀混合的粉末，按照体积比为雾化铝粉:尿素＝0.11～4:1的比例称取干燥后的尿素颗粒，与上述球磨后的硝酸镍和雾化铝粉的混合粉末在研钵中进行混合，混合过程中添加占总混合粉质量5～10％的无水乙醇，制得硝酸镍、尿素和雾化铝粉的混合粉末；
第二步，泡沫铝毛坯的制备：
将第一步制得的硝酸镍、尿素和雾化铝粉的混合粉末置于冷压模具中，在压制压力150～400MPa、保压时间30～60s的条件下进行压制，得到圆柱形压坯，将该压坯置于放置在管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为50～200mL/min的氩气，使管式炉以2～5℃/min的升温速度升至300～350℃，保温30～60min，对该压坯料进行烧结，以去除尿素颗粒，并使硝酸镍分解为氧化镍，而后将水平管式炉冷却到室温，制得孔隙均匀和孔隙率为18～91％的泡沫铝毛坯；
第三步，碳纳米管增强泡沫铝复合材料的制备：
将第二步制得的泡沫铝毛坯置于在水平管式炉恒温区域的石英舟中，往管式炉中通入流量为50～400mL/min的氩气，使管式炉以2～10℃/min的升温速度升至500～600℃，而后关闭氩气，同时以50～250mL/min的流量向该水平管式炉中通入氢气0.5～2h，然后关闭氢气，同时以250～450mL/min的流量向该水平管式炉中通入氩气和丙烯的混合气体进行催化裂解，其中氩气和丙烯的体积比为20～40:1，保持0.5～2h后关闭丙烯，调整氩气流量为50～200mL/min，使管式炉在氩气气氛下冷却至室温，即制得用于减振吸能的碳纳米管增强泡沫铝复合材料。
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| In-situ homogeneous synthesis of carbon nanotubes on aluminum matrix and properties of their composites;Hai-peng Li et al.;《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》;20140411;第24卷;第2331-2336页 * |
| 多孔金属材料制备技术研究进展;王静等;《兵器材料科学与工程》;20131130;第36卷(第6期);第134-137页 * |
| 泡沫铝基复合材料的研究进展;杨旭东等;《热加工技术》;20150430;第44卷(第8期);第12-16页 * |
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