[發(fā)明專利]超輕高彈性模量的碳納米管增強鎂鋰復合材料及制備方法

有效

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• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111363962B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設計）人: 吳國華;冀浩;劉文才;丁德華;廖光瀾
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C23/00
• 分類號: C22C23/00;C22C1/02;C22C1/10;C23C14/30;C23C14/06;C23C14/32;C23C14/08
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明公開了超輕高彈性模量的碳納米管增強鎂鋰復合材料及制備方法；其組分為：Li 9～16％，Zn 0.5～2％，Al 0.5～2％，Sc 0.02～0.2％，碳納米管C 0.1～2.5％，余量為Mg。制備時，對碳納米管進行鍍層處理；將鍍層保護的碳納米管、鎂屑和硬脂酸混合球磨后壓制成預制塊；氬氣保護下，熔化金屬原料得到合金液，低速攪拌熔體；降溫至熔體近液相線溫度附近，在快速機械攪拌中加入預制塊；攪拌結束后加熱升溫到澆鑄溫度，澆鑄。本發(fā)明解決了制備過程中Li和C的過度反應、碳納米管在基體中分散性差的難題，使鍍層保護的碳納米管穩(wěn)定均勻地分散在基體中；獲得的碳納米管增強鎂鋰復合材料密度低、彈性模量和強度高。

技術領域

本發(fā)明屬于金屬基復合材料領域，具體涉及一種超輕高彈性模量的碳納米管增強鎂鋰復合材料及制備方法。

背景技術

鎂鋰合金作為最輕的金屬結構材料，在航空航天、武器裝備等迫切需求輕量化的領域具有廣闊的應用前景。然而彈性模量低是限制鎂鋰合金應用的瓶頸問題之一。對于確定結構的部件，彈性模量是決定其剛度大小的重要因素。構件的剛度不夠，容易出現失穩(wěn)現象乃至造成災難性事故。從而，提高鎂鋰合金的彈性模量是拓展鎂鋰合金應用范圍的關鍵途徑之一。

由混合定律可知，多相合金的彈性模量是由其組成相的彈性模量及其體積分數決定的。常規(guī)Mg-Li-Al或Mg-Li-Zn合金體系中各相彈性模量普遍偏低，這也導致鎂鋰合金的彈性模量偏低，在35-45GPa之間。碳納米管作為一種先進碳材料，其彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。在鎂鋰合金中添加微量碳納米管就可以有效提升鎂鋰合金的彈性模量。此外，由于碳納米管增強相的添加，材料的強度也會有所提高。

已有技術文獻表明，在不含Li的鎂合金中加入碳納米管，可顯著提高材料的力學性能。而在鎂鋰合金中，目前尚無碳納米管增強體的報道。閆洪等公開了《一種涂覆單質銅的多壁碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法》(公開號CN106244948A)，首先通過化學法制備了涂覆單質銅的多壁碳納米管，之后采用粉末冶金將其和鎂鋁合金粉冷壓成塊，再進行燒結，制得復合材料。采用粉末冶金方法可以控制復合材料的制備溫度，防止合金和外加增強顆粒過度反應。但是由于鎂鋰合金極易氧化，鎂鋰合金粉末難以制備和保存，從而采用粉末冶金的思路難以制備鎂鋰基復合材料。并且，粉末冶金制備和熔煉制備復合材料有很大區(qū)別，在熔煉過程中純金屬鍍層極易軟化并擴散入基體中。

劉勇等公開了《一種碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法》(公開號：CN103014567A)，采用球磨和壓制的方法，制備碳納米管/金屬粉末預制塊，在熔煉過程中將預制塊加入AZ91D合金中，澆鑄制得碳納米管增強鎂基復合材料坯錠。戴劍鋒等將CNTs和SiCp的混合物直接加入到AZ91D熔體中，復合材料的力學性能相比于基合金有所提高(一種增強AZ91D鎂合金力學性能的方法，公開號CN101818314A)。徐侃等通過半固態(tài)成型技術將附著有單壁碳納米管的鎂合金原料制成單壁碳納米管摻雜的AZ91系列鎂合金結構件(單壁碳納米管摻雜的鎂合金結構件的制備，公開號CN107904430A)。與傳統(tǒng)鎂合金相比，鎂鋰合金中存在非常活潑的金屬元素Li。在鎂鋰合金熔體中添加碳納米管，Li會和C在高溫下反應生成Li₂C₂，使碳納米管的強化作用得不到充分發(fā)揮。且隨Li含量增加，該反應更加難以忽略。由于鎂鋰合金的超輕性，在鎂鋰合金中加入碳納米管也容易出現碳納米管的團聚和分散不均勻等問題。此外，鎂鋰合金的半固態(tài)溫度區(qū)間較窄，也不宜采用半固態(tài)成型技術制備鎂鋰基復合材料。

由于鎂鋰合金容易氧化、Li容易和C反應等問題的存在，已有制備技術難以實現碳納米管增強鎂鋰基復合材料的高質量制備。本發(fā)明首次創(chuàng)造性地將碳納米管鍍層處理，鍍層保護的碳納米管/鎂屑預制塊制備、近液相線溫度快速攪拌添加預制塊、升溫快速澆鑄系列工藝相結合，解決了碳納米管和Li過度反應的難題，實現了細小的碳納米管在鎂鋰基合金中彌散穩(wěn)定的分布，在保持鎂鋰合金低密度的前提下，大幅度提高了材料的彈性模量。

發(fā)明內容