[發明專利]硼摻雜的碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法

無效

• 申請號: 201110220133.6
• 申請日: 2011-08-03
• 公開（公告）號: CN102268580A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: 李家俊;李靜;師春生;劉恩佐;何春年;趙乃勤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C22C23/00
• 分類號: C22C23/00;C22C49/04;C22C47/02;C22C47/14;C22C101/10;C22C121/00
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 王小靜

技術領域

本發明涉及一種硼摻雜的碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法，屬于鎂基復合材料的制備技術。

背景技術

鎂基復合材料屬于輕金屬復合材料的一種，其主要特點是密度低、比強度、比剛度高，同時還具有良好的耐沖擊性、耐高溫性、耐磨性、優良的減震性能及良好尺寸穩定性等。此外，還具有儲氫特性和電磁屏蔽等，是一類優秀的結構與功能材料，也是當今高新技術領域中最有希望應用的復合材料之一，在航空航天、軍工產品制造、電子封裝以及汽車等領域中有巨大的應用前景。因此，鎂基復合材料成為輕金屬基復合材料的研究熱點之一。

碳納米管強度極高，平均楊氏模量可達到1～1.8TPa，大概是鋼的100倍，是碳纖維的20倍，彎曲強度可達14.2GPa，所存應變能達100keV，層間剪切強度達500MPa。碳納米管作為一維中空分子材料，密度只有鋼的1/6，重量為碳纖維的1/2。碳納米管憑借其極高的比強度和比剛度，極低的密度和軸向熱膨脹系數和獨特的導電和導熱性，成為了復合材料最理想的增強相。

以碳納米管作為增強相制備鎂基復合材料時，由于完整結構的CNTs比較穩定，尤其是與無d電子的輕金屬界面結合中出現惰性，造成弱得界面結合強度，而弱的界面結合強度會嚴重破壞復合材料的性能，因此，提高碳納米管與鎂基的界面結合強度是制備性能優異的碳納米管增強鎂基復合材料的關鍵。目前，在金屬材料領域對碳納米管常用的改性方式是鍍層、包覆、缺陷和摻雜等。這些工藝解決了諸如CNTs/高聚物復合材料的載荷傳遞、碳納米管的團聚和結合性，是一種有效的方法。其中，硼摻雜碳納米管一般采用原位生長、高溫氣相法等方法制備，然而目前硼摻雜碳納米管的研究集中于其物理性能和電學性能，對其增強鎂基復合材料的性能尚未報導。

綜上，如何采用簡單穩定的制備工藝，提高碳納米管與鎂基體的界面結合強度，是目前研發制備碳納米管增強鎂基復合材料面臨的主要問題。

發明內容

本發明的目的提供一種硼摻雜的碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法。該方法制備工藝簡單易行，所制得的復合材料的強度高。

本發明是通過以下技術方案實現的，一種硼摻雜的碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法，其實施方案包括以下過程：

1)以B₂O₃作為硼源，按硼原子與碳原子的原子比例為10∶1。將B₂O₃放入方舟底部，在上面覆蓋碳納米管，再將方舟置于管式爐中，以10℃/min的升溫速率升溫至1100-1300℃，在氬氣的氣氛下保溫3-5小時；

2)采用三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿表面兩性離子活性劑對硼摻雜碳納米管進行分散。分散劑與硼摻雜碳納米管的質量比為1∶10，將分散劑在溫度60℃下溶于200-300ml異丙醇中，將硼摻雜碳納米管加入到所得溶液中超聲攪拌30分鐘，按硼摻雜碳納米管與鎂的質量比為(0.1-1.5)∶(99.9-98.5)，再將過200目的鎂粉加入到所得溶液中，攪拌混合20-40分鐘，然后抽濾，在溫度50-80℃下烘干并研磨均勻，得到硼摻雜碳納米管同鎂的復合粉末；

3)將步驟2)所得的復合粉末在壓力500-700MPa下進行壓制2-3分鐘，得到了直徑為20mm的復合材料的塊體，以10℃/min的升溫速率升溫至500-600℃，在氬氣的保護氣氛下進行燒結1-3小時，然后將得到的塊體在壓力600-750MPa下進行復壓2-3分鐘，以10℃/min的升溫速率升溫至550-650℃，在氬氣的保護氣氛下進行再燒結1-3小時；冷卻室溫得到硼摻雜碳納米管增強鎂基復合材料。

本發明具有以下優點：在硼原子摻雜比例較低的情況下，復合材料的力學性能得到了較大幅度的改善，當硼原子摻雜比例達到3.1％，且硼摻雜碳納米管含量為1.5wt.％時，所制得的鎂基復合材料的壓縮強度提高了15％。本發明制備過程易操作。所制得的高強度鎂基復合材料，可廣泛應用于航空航天以及汽車等領域。

附圖說明

圖1為本發明實施例一、二、三制得的硼摻雜碳納米管的XPS圖譜。

圖2為本發明實施例一制得的硼摻雜碳納米管含量為0.1wt.％的鎂基復合材料的壓縮應力應變曲線(b)和對比實施例一制得的碳納米管含量為0.1wt.％的鎂基復合材料的壓縮應力應變曲線(a)。