[发明专利]一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法。

背景技术

镁是地壳中含量最丰富的元素之一，居第8位，约占地壳总量的2.35％；镁的熔点低，为651℃，比重小，为1.74g/cm³，约为钢的1/4，铝的2/3。但是，一般镁合金的强度不高，高温性能不好，使得镁合金仅能用来制造壳类等不能承受较大载荷的零件，很难满足航空航天和军事设备对高强度及多功能镁结构材料的需求。而镁基复合材料具有更高的比强度、比刚度，良好的阻尼性能、电磁屏蔽性能和储氢特性，同时还可能具有较好的耐磨、耐高温性能。所以，相比镁合金，镁基复合材料具有更大的潜在的应用前景。

碳纳米管具有优异的机械性能和物理性能。理论计算和实验结果均表明碳纳米管（缩写为CNTs）具有很高的弹性模量，可超过1TPa(金刚石的弹性模量为：1.2TPa)甚至可以达到1.8TPa；CNTs的强度也很高，是钢强度的10-100倍，具有很好的变形性能，其弹性应变可达5％，最高可达12％，约为钢的60倍，而其密度只有钢的几分之一，一般为1-2g/cm³。CNTs有优于任何纤维的韧性。除具有优异的力学性能之外，CNTs还具有优良的热和电性能：在2800℃的高温真空环境下，其性质不发生改变，导热性能比金刚石高出2倍，其电输送能力是铜线的1000倍。由于优异的机械和物理性能，碳纳米管有望成为最具前景的复合材料增强相。

用性能优异的碳纳米管增强相和镁基体进行复合，制备具有高的比强度、比刚度、好的减振性、优良的阻尼减振性能、高的尺寸稳定性、高的导热率、优良的电磁屏蔽性能、优良的机械加工性能的镁基复合材料，具有良好的发展前景。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：200710124548.7，发明名称：“镁基-碳纳米管复合材料的制造方法”，公开日：2005年9月14日，该专利公开了一种镁基-碳纳米管复合材料的制造方法，将镁熔体和碳纳米管混合得到的浆料注入模具得到预制体，再将预制体进行挤压成型处理，即得到镁合金-碳纳米管复合材料。该方法需要多次加热过程，制备周期长，不适合工业化生产。日本Kondoh等人在《Materials Science and Engineering A》2010年第527期P4103-4108上，发表“Microstructural and mechanical analysis of carbon nanotube reinforced magnesium alloy powder composites”一文，该文将超声分散后的碳纳米管和纯镁粉及AZ31B粉末湿混后，装入模具中利用火花等离子体在真空下烧结同时给以外加压力。烧结后的复合坯料在400℃氩气气氛下加热3分钟后进行热挤压。此法获得的复合粉体表面存在表面活性剂固体膜，在高温时变成气体造成复合材料的气孔缺陷，需要在550℃氩气及氢气的混合气氛下消除。本发明与此法主要有以下不同：（1）采用干混法获得复合粉体，避免了复合粉体表面固体膜的处理；（2）直接采用真空热压烧结炉进行热压烧结；（3）热挤压前加热过程不需要氩气保护。具有设备简单，生产效率高等优点。

此外由于镁不与碳反应，且碳和大多数金属的润湿性不好，不能形成良好的界面结合，因此，对碳纳米管进行表面改性是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，该方法的制备工艺简单易行，制得的复合材料中增强相和基体的界面结合强度高，复合材料综合性能好。

本发明提供了一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，该方法步骤如下：（1）对碳纳米管进行表面改性，使碳纳米管表面得到一层均匀、致密的Ni-P合金层；（2）将上述改性后的碳纳米管和基体粉末即镁粉、铝粉、锌粉进行混合，得到混合原料；（3）将上述混合原料和陶瓷球按照重量比为1:5~10在三维高效混料机上进行混料，使之混合均匀，得到混合粉末；（4）将上述混合粉末放入模具中，在室温下进行双向冷压，使其密度达到理论密度的70-85%；（5）对冷压后的复合材料坯料进行真空烧结；（6）将烧结后的复合材料进行热挤压。

本发明提供的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，所述的碳纳米管为多壁碳纳米管；所述的碳纳米管的直径为20~40纳米，长度<15微米。所述的镁、铝、锌元素粉末为纯镁、纯铝、纯锌元素粉末；所述的镁、铝、锌等元素粉末的直径尺寸为10-75微米。