CNTs增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

楊林沖 王坦 張永超 陳杰 趙廣治 張保豐

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州450063）

CNTs增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

楊林沖 王坦 張永超 陳杰 趙廣治 張保豐

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州450063）

本文綜述了碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法和研究現(xiàn)狀，介紹了目前常用的熔體攪拌法、消失模鑄造法、粉末冶金法、熔體浸滲法和預(yù)制塊鑄造法等制備方法的原理和制備技術(shù)。

CNTs；鎂基；復(fù)合材料；制備方法

鎂及鎂合金具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，鑄造性能和切削加工性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、通訊、光學(xué)儀器和計(jì)算機(jī)制造業(yè)。但鎂合金強(qiáng)度低，耐腐蝕性能差嚴(yán)重阻礙其廣泛應(yīng)用。

碳納米管不僅具有極高的強(qiáng)度、韌性和彈性模量，而且具有良好的導(dǎo)電性能，還是目前最好的導(dǎo)熱材料。這些獨(dú)特的性能使之特別適宜作為復(fù)合材料的納米增強(qiáng)相。近年來，碳納米管作為金屬的增強(qiáng)材料來強(qiáng)度、硬度、耐摩擦、磨損性能以及熱穩(wěn)定性等方面發(fā)揮了重要作用。

近些年，鎂基復(fù)合材料成為了金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的新興研究熱點(diǎn)之一，碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究也逐漸成為材料學(xué)者研究重點(diǎn)之一。本文就目前有關(guān)碳納米管增強(qiáng)鎂基合金復(fù)合材料的制備技術(shù)做綜述，以供研究者參考。

1 熔體攪拌法

熔體攪拌法是通過機(jī)械或電磁攪拌使增強(qiáng)相充分彌散到基體熔體中，最終凝固成形的工藝方法。主要原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器攪動金屬熔體，將CNTS加入到熔體漩渦中，依靠漩渦的負(fù)壓抽吸作用使CNTS進(jìn)入金屬熔體中，并隨著熔體的強(qiáng)烈流動迅速擴(kuò)散[1]。

周國華[2]等人采用攪拌鑄造法制備了CNTs/AM60鎂基復(fù)合材料。研究采用機(jī)械攪拌法，在精煉處理后，在機(jī)械攪拌過程下不斷加入碳納米管到鎂熔體中，攪拌時(shí)間20min，然后采用真空吸鑄法制得拉伸試樣。研究結(jié)果顯示，碳納米管具有細(xì)化鎂合金組織的作用，在拉伸過程中，能夠起到搭接晶粒和承載變形抗力的作用。

C.S.Goh[3]等采用攪拌鑄造法制備了CNTS/Mg基復(fù)合材料時(shí)，金屬熔化后采用攪拌槳以450r/min的轉(zhuǎn)速攪拌，然后用氬氣噴槍將熔體均勻地噴射沉積到基板上，從而制得CNTS/Mg基復(fù)合材料。力學(xué)性能測試表明，復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能。

李四年[4]等人采用液態(tài)攪拌鑄造法制備了CNTS/Mg基復(fù)合材料。CNTS加入前首先經(jīng)過了化學(xué)鍍鎳處理，研究采用了正交實(shí)驗(yàn)，考察了CNTS加入量、加入溫度和攪拌時(shí)間對復(fù)合材料組織和性能的影響。研究結(jié)果表表明，CNTS加入量在1.0%、加熱溫度在680℃、攪拌3min時(shí)，能獲得綜合性能較好的復(fù)合材料。

攪拌鑄造法優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、成本低、操作簡單，因此在研究CNTS增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料方面得到廣泛應(yīng)用。但攪拌鑄造法在熔煉和澆鑄時(shí)，金屬鎂液容易氧化，CNTS均勻地分散到基體中也存在一定難度。

2 消失模鑄造法

消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型黏結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在負(fù)壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。

周國華[5]等人就通過消失模鑄造法制備CNTs/ZM5鎂合金復(fù)合材料。將PVC母粒加入到二甲苯中溶解，把CNTs加入上述溶液中超聲分散10min后過濾、靜置20h，裝入發(fā)泡模具發(fā)泡成型，用線切割機(jī)加工制得消失模。把制得的含碳納米管的消失模具放入砂箱內(nèi)，填滿砂并緊實(shí)，將自行配制的ZM5鎂合金熔體澆注制得復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米管對鎂合金有較強(qiáng)的增強(qiáng)效果，對ZM5合金的晶粒有明顯的細(xì)化作用。

3 粉末冶金法

粉末冶金法是把CNTS與鎂合金基體粉末進(jìn)行機(jī)械混合，通過模壓等方法制坯，然后加入到合金兩相區(qū)進(jìn)行燒結(jié)成型的一種成型工藝。粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)在于合金成分體積分?jǐn)?shù)可任意配比而且分布比較均勻，可以避免在鑄造過程中產(chǎn)生的成分偏析現(xiàn)象，而且由于燒結(jié)溫度是在合金兩相區(qū)進(jìn)行，能夠避免由于高溫產(chǎn)生的氧化等問題。

沈金龍[6]等人采用粉末冶金的方法制備了多壁碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。試驗(yàn)采用CCl4作為分散劑將鎂粉和CNTS混合，在室溫下將混合粉末采用雙向壓制成型后進(jìn)行真空燒結(jié)，制成碳納米/強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。研究結(jié)果表明：碳納米管提高了復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度，鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化主要來自增強(qiáng)體的強(qiáng)化作用、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。

Carreno-Morelli[7]等利用真空熱壓燒結(jié)粉末冶金法制備了碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CNTs含量為2%時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量提高9%。

楊益利用利用粉末冶金法，制備了碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，研究了碳納米管制備工藝和含量對復(fù)合材料組織和性能的影響。研究采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，通過研究發(fā)現(xiàn)，在熱壓溫度為600℃、保壓時(shí)間20min、保壓壓力在20MPa、CNTS含量為1.0%時(shí)，制得的復(fù)合材料具有強(qiáng)度最高值。TEM分析CNTS與鎂基體結(jié)合良好，增強(qiáng)機(jī)理主要有復(fù)合強(qiáng)化、橋連強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。

4 熔體浸滲法

熔體浸滲法是先把增強(qiáng)相預(yù)制成形，然后將合金熔體傾入，在熔體的毛細(xì)現(xiàn)象作用下或者一定的壓力下使其浸滲到預(yù)制體間隙而達(dá)到復(fù)合化的目的。按施壓方式可以分為壓力浸滲、無壓浸摻和負(fù)壓浸滲三種。

Shimizu等采用無壓滲透的方法制備了碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，隨后進(jìn)行了熱擠壓，力學(xué)性能測試顯示，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了388MPa、韌性提高了5%。

5 預(yù)制塊鑄造法

周國華等人采用碳納米管預(yù)制塊鑄造法制備了CNTS/AZ91鎂基復(fù)合材料。將AL粉、Zn粉、CNTs按比例混合分散后，用50目不銹鋼網(wǎng)篩過濾后在模具中壓制成預(yù)制塊。然后利用鐘罩將預(yù)制塊壓入鎂熔體并緩慢攪拌至預(yù)制塊完全溶解，采用真空吸鑄法制得復(fù)合材料試樣。研究結(jié)果表明，預(yù)制塊鑄造法能夠使CNTs均勻分散到鎂合金熔體中，復(fù)合材料的晶粒組織得到細(xì)化，力學(xué)性能明顯提高。

6 結(jié)語

近年來，CNTs在增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究越來越多，目前存在的主要問題是CNTs的分散和與基體界面的結(jié)合等問題。由于但碳納米管具有高的比表面能，使其在與其他材料的復(fù)合過程中易形成團(tuán)聚，導(dǎo)致復(fù)合材料性能不甚理想，最終起不到納米增強(qiáng)相的效果，同時(shí)碳納米管屬輕質(zhì)納米纖維，與各類金屬的比重相差太大，不易復(fù)合。目前有關(guān)碳納米管增強(qiáng)鎂基合金復(fù)合材料的研究還處于初期階段，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新工藝和新方法不斷出現(xiàn)，CNTs的分散及與基體的界面結(jié)合等問題將逐漸被解決，開發(fā)出性能優(yōu)異的CNTs/Mg基復(fù)合材料將有著重要的意義。

[1]張玉龍.先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003

[2]周國華，曾效舒，袁秋紅.鑄造法制備CNTS/AM60鎂基復(fù)合材料的研究[J].鑄造，2009，58（1）：43-46.

[3]GohCS，WeiJ，etal.Ductilityimprovementandfatigue studiesinMg-CNTnano-composites[J].ComposSci.Techn，2008，68:1432.

[4]李四年，宋守志，余天慶等.鑄造法制備納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料[J].特種鑄造及有色合金，2005，25（5）：313-315.

[5]周國華，曾效舒，袁秋紅等.消失模鑄造法制備CNTS/ZM5鎂合金復(fù)合材料的研究[J].熱加工工藝，2008，37（9）：11-14.

[6]沈金龍，李四年，余天慶等.粉末冶金法制備鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能和增強(qiáng)機(jī)理研究[J].鑄造技術(shù)，2005，26（4）:309-312.

[7]Carreno-MorelliE，YangJ，etal.Carbonnanotube/magnesiumcomposites[J].PhysStatusSolidiA，2004，201（8）:53.

[8]楊益.碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備與性能研究[D].北京：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文，2006.

TB331

A

1671-0037（2014）01-66-1.5

2013年12月12日。

鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目（20130839），黃河科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2013XSCX025）。

楊林沖（1991-），本科生，黃河科技學(xué)院工學(xué)院。

張保豐（1979-），副教授，研究方向：新材料加工及制備技術(shù)。