[发明专利]一种碳纳米管增强镁镍基非晶复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管增强镁镍基非晶复合材料及其制备方法，属于金属合金复合材料技术领域。

背景技术

汽车和航天航空等工业的迅速发展对轻量化合金提出了更高要求，轻量化要求轻金属合金具有高强度和高韧性。由于具有不同于晶体的特殊原子排列结构，非晶材料表现出传统材料无法实现的超高比强、超高耐蚀性、低热膨胀系数等特异性能。加之非晶态材料具有优异的过冷液态精密成型性，可以实现复杂形状零部件的短流程精密加工，受到研究者广泛关注。作为高性能轻质材料，块体非晶在航天飞行器等尖端领域具有极大的应用潜力。当今，围绕非晶材料的基础研究主要集中在非晶态结构的本质与成分设计、非晶态材料强韧化、非晶态材料超塑性加工与精密成形等方面。与其它合金系非晶合金相比，镁基块体非晶合金质量轻、价格便宜，是高比强度合金的优秀候选者，应用前景广阔。目前，镁基块体非晶合金的研究主要集中在以Mg-Cu-RE(RE为稀土等)为主的含铜体系。一方面，虽然已开发出了大量Mg-Cu系块体非晶合金成分，但这个体系非晶合金中镁含量较低，一般低于65at.％，弱化了镁合金低密度的优势。研究表明，非晶态的镁镍系合金具有优异的储氢性能和电化学性能。很多研究者在镁镍基非晶合金材料的制备及性能方面做了大量研究，并取得了很好的成果。然而，镁基块体非晶几乎是所有非晶态合金中脆性最高者，报道显示，Mg基非晶材料的断裂韧性K_Ⅰc低至2.0MPa·m^1/2，接近理想的脆性硅酸盐玻璃，成为进一步应用的瓶颈问题。因此，研究Mg基非晶材料增韧机制不仅有利于提高Mg基非晶材料本身的强韧性。同时也为研究脆性材料断裂和增韧等基础问题提供了理想模型。

研究者发现，可以利用外加第二相来阻碍剪切带的扩展，促进多重剪切带的形成，从而增强非晶材料的强韧性。与其它增强相相比，碳纳米管具有非常优异的综合性能，是理想的第二相。碳纳米管是中空无缝管状结构，具有较低的密度(1.35g/cm³左右)和良好的结构稳定性；热稳定性强，在973K以下温度，碳纳米管在空气中基本不发生变化；理论计算表明，碳纳米管的弹性模量平均为1.8TPa，抗拉强度为钢的100倍(是高强度碳纤维的20多倍)，弯曲强度为14.2GPa。碳纳米管已经被作为增强相，在Fe基、Al基、Cu基和Ni基等晶态复合材料中进行了大量研究。

因此，开发出高强韧性的碳纳米管增强Mg基非晶复合材料具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种碳纳米管增强镁镍基非晶复合材料及其制备方法，通过添加碳纳米管，制备镁基块体非晶复合材料，以克服目前镁基非晶合金韧性太低的问题，丰富非晶合金成分系，得到具有高非晶形成能力、高强度和较高韧性的非晶复合材料。

本发明提出的碳纳米管增强镁镍基非晶复合材料，以Mg-Ni为主要元素，其成分为(碳纳米管)_X-(Mg₆₉Ni₁₅Gd₁₀Ag₆)_100-X，其中X为碳纳米管的体积百分比，X＝1～10。

本发明提出的碳纳米管增强镁镍基非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属Ni、Gd和Ag按照质量百分比28.4％:50.7％:20.9％称量后，相互混合，在纯度为99.99％的高纯氩气保护气氛中2700℃下熔炼30秒，保护气氛压力为0.8个大气压，边熔炼边电磁搅拌，以保证合金均匀性，冷却得到成分为Ni₁₅Gd₁₀Ag₆的三元中间合金锭；

(2)将上述步骤(1)得到的三元中间合金锭破碎后与相应质量的金属Mg相混合，在感应炉中熔炼得到成分为Mg₆₉Ni₁₅Gd₁₀Ag₆的母合金锭；

(3)将上述步骤(2)制备的母合金锭磨成粒径小于或等于1毫米的合金粉末，将合金粉末与碳纳米管颗粒相混合，碳纳米管颗粒所占的体积比为1～10％，通过搅拌和超声振动，使合金粉末和碳纳米管颗粒混合均匀，得到混合物；