[發明專利]一種碳納米管增強鎂鎳基非晶復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201510043687.1
• 申請日: 2015-01-28
• 公開（公告）號: CN104630662B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 趙平;李雙壽
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C22C45/00
• 分類號: C22C45/00;C22C1/03
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 羅文群

技術領域

本發明涉及一種碳納米管增強鎂鎳基非晶復合材料及其制備方法，屬于金屬合金復合材料技術領域。

背景技術

汽車和航天航空等工業的迅速發展對輕量化合金提出了更高要求，輕量化要求輕金屬合金具有高強度和高韌性。由于具有不同于晶體的特殊原子排列結構，非晶材料表現出傳統材料無法實現的超高比強、超高耐蝕性、低熱膨脹系數等特異性能。加之非晶態材料具有優異的過冷液態精密成型性，可以實現復雜形狀零部件的短流程精密加工，受到研究者廣泛關注。作為高性能輕質材料，塊體非晶在航天飛行器等尖端領域具有極大的應用潛力。當今，圍繞非晶材料的基礎研究主要集中在非晶態結構的本質與成分設計、非晶態材料強韌化、非晶態材料超塑性加工與精密成形等方面。與其它合金系非晶合金相比，鎂基塊體非晶合金質量輕、價格便宜，是高比強度合金的優秀候選者，應用前景廣闊。目前，鎂基塊體非晶合金的研究主要集中在以Mg-Cu-RE(RE為稀土等)為主的含銅體系。一方面，雖然已開發出了大量Mg-Cu系塊體非晶合金成分，但這個體系非晶合金中鎂含量較低，一般低于65at.％，弱化了鎂合金低密度的優勢。研究表明，非晶態的鎂鎳系合金具有優異的儲氫性能和電化學性能。很多研究者在鎂鎳基非晶合金材料的制備及性能方面做了大量研究，并取得了很好的成果。然而，鎂基塊體非晶幾乎是所有非晶態合金中脆性最高者，報道顯示，Mg基非晶材料的斷裂韌性K_Ⅰc低至2.0MPa·m^1/2，接近理想的脆性硅酸鹽玻璃，成為進一步應用的瓶頸問題。因此，研究Mg基非晶材料增韌機制不僅有利于提高Mg基非晶材料本身的強韌性。同時也為研究脆性材料斷裂和增韌等基礎問題提供了理想模型。

研究者發現，可以利用外加第二相來阻礙剪切帶的擴展，促進多重剪切帶的形成，從而增強非晶材料的強韌性。與其它增強相相比，碳納米管具有非常優異的綜合性能，是理想的第二相。碳納米管是中空無縫管狀結構，具有較低的密度(1.35g/cm³左右)和良好的結構穩定性；熱穩定性強，在973K以下溫度，碳納米管在空氣中基本不發生變化；理論計算表明，碳納米管的彈性模量平均為1.8TPa，抗拉強度為鋼的100倍(是高強度碳纖維的20多倍)，彎曲強度為14.2GPa。碳納米管已經被作為增強相，在Fe基、Al基、Cu基和Ni基等晶態復合材料中進行了大量研究。

因此，開發出高強韌性的碳納米管增強Mg基非晶復合材料具有重要的研究意義。

發明內容

本發明的目的是提出一種碳納米管增強鎂鎳基非晶復合材料及其制備方法，通過添加碳納米管，制備鎂基塊體非晶復合材料，以克服目前鎂基非晶合金韌性太低的問題，豐富非晶合金成分系，得到具有高非晶形成能力、高強度和較高韌性的非晶復合材料。

本發明提出的碳納米管增強鎂鎳基非晶復合材料，以Mg-Ni為主要元素，其成分為(碳納米管)_X-(Mg₆₉Ni₁₅Gd₁₀Ag₆)_100-X，其中X為碳納米管的體積百分比，X＝1～10。

本發明提出的碳納米管增強鎂鎳基非晶復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將金屬Ni、Gd和Ag按照質量百分比28.4％:50.7％:20.9％稱量后，相互混合，在純度為99.99％的高純氬氣保護氣氛中2700℃下熔煉30秒，保護氣氛壓力為0.8個大氣壓，邊熔煉邊電磁攪拌，以保證合金均勻性，冷卻得到成分為Ni₁₅Gd₁₀Ag₆的三元中間合金錠；

(2)將上述步驟(1)得到的三元中間合金錠破碎后與相應質量的金屬Mg相混合，在感應爐中熔煉得到成分為Mg₆₉Ni₁₅Gd₁₀Ag₆的母合金錠；

(3)將上述步驟(2)制備的母合金錠磨成粒徑小于或等于1毫米的合金粉末，將合金粉末與碳納米管顆粒相混合，碳納米管顆粒所占的體積比為1～10％，通過攪拌和超聲振動，使合金粉末和碳納米管顆粒混合均勻，得到混合物；