[发明专利]碳纳米管-氧化铝复合增强镁基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及用铸造法制造镁基合金，具体地说是碳纳米管-氧化铝复合增强镁基复合材料的制备方法。

背景技术

作为最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度和比刚度高、导电和导热性强、铸造性能优良、机械加工性能好、易回收等诸多特点，被誉为二十一世纪的绿色结构材料，在航空航天、汽车、电子、通讯和机械等高新技术领域具有广泛应用前景。但随着现代化工业的发展，对镁合金的要求越来越高，传统的镁合金在物理性能和力学性能等方面逐渐暴露出不足之处。例如，镁合金存在弹性模量小、热膨胀系数高、尺寸稳定性差、高温强度和抗蠕变性低及耐磨性差等缺点。这些缺点成为限制镁合金广泛应用的瓶颈，因此，如何提高镁合金综合性能成为近年来金属材料研究领域的热点之一。

镁基复合材料是以镁或其合金为基体，以颗粒状、晶须状或纤维状的其他物质为增强相的非均质混合物。由于镁基复合材料具有热膨胀系数低、杨氏模量高和耐磨性好等优异的综合性能，克服了传统镁合金在力学性能和物理性能等方面的不足之处，因此，镁基复合材料在许多工业和民用领域中得到了广泛应用，并且新的镁基复合材料不断被研发。CN201010292488.1报道了一种半固态真空热压制备颗粒增强镁合金复合材料的方法，它可满足颗粒增强镁合金复合材料制备与成形的需要；CN200710192236.X报道了一种混合碳纤维增强的镁合金复合材料，其特征在于该复合材料是由高强度碳纤维和高模量碳纤维混合增强的以镁合金为基体的复合材料；CN200910216219.4报道了一种硼酸镁晶须增强镁基复合材料，改性并优化了镁合金基体与增强相间的接触面-界面的制备工艺。上述镁基复合材料的制备虽可在一定程度上提高镁合金基体的硬度和强度，但这些镁基复合材料高温膨胀程度大、强度低和蠕变现象严重等问题仍有待进一步改善；另外，与镁合金基体相比，上述传统颗粒、晶须或纤维增强相物质的密度大、强度和弹性模量低以及导电导热性能差，将其添加到镁合金基体中，镁合金原有的轻质效果受到影响。

自碳纳米管被发现以来，凭借其比强度和比刚度高、轴向膨胀系数低、密度小、独特的导热性和导电性等优异性能，碳纳米管成为金属基复合材料的理想增强相。近年来，关于碳纳米管-镁基复合材料的研究也已经开展。现有技术主要采用铸造法或粉末冶金法进行碳纳米管-镁基复合材料制备，在制备过程中通过机械搅拌、高能球磨等方法来进行碳纳米管在镁基体中的分散。众所周知，增强相在复合材料基体中的分布状态对其增强效果至关重要。增强相在基体中均匀分散是复合材料获得优良性能的前提，而其偏聚或团聚会导致金属基复合材料性能恶化。碳纳米管比表面积大，碳纳米管之间较强的范德华力会导致其在复合材料基体中分散困难、团聚严重，这是碳纳米管增强金属基复合材料面临的主要问题。

CN101435059公开了镁基-碳纳米管复合材料的制造方法，首先将镁基熔体和碳纳米管混合得到混合浆料，而后将上述混合浆料注入模具中得到预制体；最后将上述预制体进行挤压成型处理，制得镁合金-碳纳米管复合材料。由该专利申请的发明内容和实施例可见，其对碳纳米管的分散是通过混合浆料制备过程中的机械搅拌和对已成型的预制件进行挤压变形来实现的。但是，由于碳纳米管的密度低，单壁碳纳米管密度约1.2～1.3g/cm³，多壁碳纳米管密度也仅约1.7g/cm³，远小于镁基熔体的密度，二者如此之大的密度差导致该方法在混合浆料制备过程中，即使有机械搅拌，也无法避免碳纳米管浮于熔体表面；同样，预制块浇注成型过程中碳纳米管也将偏聚于预制块上部，导致预制块上下的碳纳米管分布不均，而这是后续挤压成型处理也无法解决的问题。这些缺陷导致最终得到的镁基复合材料各部位间存在性能差异。此外，碳纳米管比表面积大和比表面能高，将其加入到镁基熔体中后，碳纳米管间较强的范德华力使得它们团聚而难以分散，机械搅拌仅可能在一定程度上将团聚的碳纳米管团簇分离开，而不能实现单根碳纳米管的均匀分散，因此，碳纳米管的团聚体将保留到预制块中，后续挤压成型处理过程中镁基体的塑性变形虽可在变形范围内从一定程度上改变团聚体的形态和分布，但无法根本解决碳纳米管在镁基体中的均匀分散问题。上述方法中，碳纳米管在镁基体中的偏聚和团聚的问题，不但影响了碳纳米管良好增强效果的发挥，并且碳纳米管团聚体成为镁基体中的组织缺陷，对镁基复合材料结构和性能有不良影响。