[發明專利]一種碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210150121.5
• 申請日: 2012-05-15
• 公開（公告）號: CN102747240A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 劉越;晉冬艷;田家龍;趙群;王譽
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C23/00
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明屬于材料領域，特別涉及一種碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法。

背景技術

鎂是地殼中含量最豐富的元素之一，居第8位，約占地殼總量的2.35％；鎂的熔點低，為651℃，比重小，為1.74g/cm³，約為鋼的1/4，鋁的2/3。但是，一般鎂合金的強度不高，高溫性能不好，使得鎂合金僅能用來制造殼類等不能承受較大載荷的零件，很難滿足航空航天和軍事設備對高強度及多功能鎂結構材料的需求。而鎂基復合材料具有更高的比強度、比剛度，良好的阻尼性能、電磁屏蔽性能和儲氫特性，同時還可能具有較好的耐磨、耐高溫性能。所以，相比鎂合金，鎂基復合材料具有更大的潛在的應用前景。

碳納米管具有優異的機械性能和物理性能。理論計算和實驗結果均表明碳納米管（縮寫為CNTs）具有很高的彈性模量，可超過1TPa(金剛石的彈性模量為：1.2TPa)甚至可以達到1.8TPa；CNTs的強度也很高，是鋼強度的10-100倍，具有很好的變形性能，其彈性應變可達5％，最高可達12％，約為鋼的60倍，而其密度只有鋼的幾分之一，一般為1-2g/cm³。CNTs有優于任何纖維的韌性。除具有優異的力學性能之外，CNTs還具有優良的熱和電性能：在2800℃的高溫真空環境下，其性質不發生改變，導熱性能比金剛石高出2倍，其電輸送能力是銅線的1000倍。由于優異的機械和物理性能，碳納米管有望成為最具前景的復合材料增強相。

用性能優異的碳納米管增強相和鎂基體進行復合，制備具有高的比強度、比剛度、好的減振性、優良的阻尼減振性能、高的尺寸穩定性、高的導熱率、優良的電磁屏蔽性能、優良的機械加工性能的鎂基復合材料，具有良好的發展前景。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利申請號：200710124548.7，發明名稱：“鎂基-碳納米管復合材料的制造方法”，公開日：2005年9月14日，該專利公開了一種鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，將鎂熔體和碳納米管混合得到的漿料注入模具得到預制體，再將預制體進行擠壓成型處理，即得到鎂合金-碳納米管復合材料。該方法需要多次加熱過程，制備周期長，不適合工業化生產。日本Kondoh等人在《Materials?Science?and?Engineering?A》2010年第527期P4103-4108上，發表“Microstructural?and?mechanical?analysis?of?carbon?nanotube?reinforced?magnesium?alloy?powder?composites”一文，該文將超聲分散后的碳納米管和純鎂粉及AZ31B粉末濕混后，裝入模具中利用火花等離子體在真空下燒結同時給以外加壓力。燒結后的復合坯料在400℃氬氣氣氛下加熱3分鐘后進行熱擠壓。此法獲得的復合粉體表面存在表面活性劑固體膜，在高溫時變成氣體造成復合材料的氣孔缺陷，需要在550℃氬氣及氫氣的混合氣氛下消除。本發明與此法主要有以下不同：（1）采用干混法獲得復合粉體，避免了復合粉體表面固體膜的處理；（2）直接采用真空熱壓燒結爐進行熱壓燒結；（3）熱擠壓前加熱過程不需要氬氣保護。具有設備簡單，生產效率高等優點。

此外由于鎂不與碳反應，且碳和大多數金屬的潤濕性不好，不能形成良好的界面結合，因此，對碳納米管進行表面改性是很有必要的。

發明內容

本發明的目的是提供一種碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法，該方法的制備工藝簡單易行，制得的復合材料中增強相和基體的界面結合強度高，復合材料綜合性能好。

本發明提供了一種碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法，該方法步驟如下：（1）對碳納米管進行表面改性，使碳納米管表面得到一層均勻、致密的Ni-P合金層；（2）將上述改性后的碳納米管和基體粉末即鎂粉、鋁粉、鋅粉進行混合，得到混合原料；（3）將上述混合原料和陶瓷球按照重量比為1:5~10在三維高效混料機上進行混料，使之混合均勻，得到混合粉末；（4）將上述混合粉末放入模具中，在室溫下進行雙向冷壓，使其密度達到理論密度的70-85%；（5）對冷壓后的復合材料坯料進行真空燒結；（6）將燒結后的復合材料進行熱擠壓。

本發明提供的碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法，所述的碳納米管為多壁碳納米管；所述的碳納米管的直徑為20~40納米，長度<15微米。所述的鎂、鋁、鋅元素粉末為純鎂、純鋁、純鋅元素粉末；所述的鎂、鋁、鋅等元素粉末的直徑尺寸為10-75微米。