碳納米管/鎂基復(fù)合材料應(yīng)用及發(fā)展研究

潘強(qiáng) 楊耀華 孫姣 趙成龍 馬曉霞 史青

生活中有許多常見的復(fù)合材料，傳統(tǒng)的復(fù)合材料有鋼筋混凝土、玻璃鋼魚竿、一體成型的鞋子、用于開關(guān)絕緣的合成樹脂等。新型復(fù)合材料是具有更高性能的材料，具有比強(qiáng)度高、比模量高、密度低等特性，它包括用碳、芳綸、陶瓷等纖維和晶體等高性能增強(qiáng)體與耐熱性好的熱固性和熱塑性樹脂基構(gòu)成的高性能聚合物復(fù)合材料。研究鎂合金復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。

復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展而涌現(xiàn)出的一類具有極大生命力的新材料，從20世紀(jì)70年代開始至今，其中鎂基復(fù)合材料已經(jīng)成為金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)。鎂基復(fù)合材料受到航空航天、汽車、機(jī)械以及電子等領(lǐng)域的重視，在新型高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域比傳統(tǒng)單一金屬和鋁基復(fù)合材料有更大的市場應(yīng)用潛力和價(jià)值。

一、概述

鎂呈銀白色，熔點(diǎn)649℃，質(zhì)輕，密度為1.74g/cm3，約為銅（Cu）的1/4、鋁（Al）的2/3；其化學(xué)活性強(qiáng)，與氧的親合力大，常用做還原劑。粉狀或細(xì)條狀的鎂，在空氣中易燃燒，燃燒時(shí)發(fā)出眩目的白光，但極易溶解于有機(jī)和無機(jī)酸中。鎂能直接與氮、硫和鹵素等化合。金屬鎂無磁性，且有良好的熱消散性，質(zhì)軟、熔點(diǎn)較低。

鎂合金是最輕的結(jié)構(gòu)材料之一，有著其他金屬不可比擬的優(yōu)越性。鎂及鎂合金具有的特殊性能如密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、減振性好、電磁屏蔽性能優(yōu)異、切削加工性和熱成形性好等使其在移動(dòng)通信、手提計(jì)算機(jī)等的殼體結(jié)構(gòu)件上以及在汽車、電子、電器、航空航天、國防軍工、交通等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

二、鎂合金復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

鎂基復(fù)合材料的主要特點(diǎn)是低密度、高比強(qiáng)度和比剛度、良好的耐磨性、良好的耐高溫性、良好的耐沖擊性、優(yōu)良的減震性、良好的尺寸穩(wěn)定性、良好的鑄造性以及優(yōu)異的電磁屏蔽性能等。由于存在低熔點(diǎn)、高化學(xué)活性、易燃、易氧化等特點(diǎn)，有關(guān)適合鎂基復(fù)合材料的制備工藝一直以來是人們研究和解決的一大熱點(diǎn)。因?yàn)殒V的熔點(diǎn)接近于鋁的熔點(diǎn)，所以很多的制備方法都是在鋁基復(fù)合材料的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣和改進(jìn)的。比較傳統(tǒng)的方法有普通鑄造法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法和粉末冶金法，此外又出現(xiàn)了許多比較新型的制備方法，如機(jī)械合金化法、熔體浸滲法、噴射沉積法、自蔓延高溫合成法、重熔稀釋法和反復(fù)塑性變形法等。近年來，準(zhǔn)晶、碳纖維和石墨烯等新型增強(qiáng)體研究取得了較大進(jìn)展，增強(qiáng)體與鎂及鎂合金之間的界面潤濕性問題也通過不同工藝被逐漸解決，這為鎂基復(fù)合材料的研究人員帶來了新的靈感。

青海大學(xué)的韓麗等采用溶膠-凝膠法制備了氧化銅（CuO）涂覆硼酸鎂（Mg2B2O5）晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料并對其界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)CuO涂覆可以改善界面處的結(jié)合強(qiáng)度，材料的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率相較于未涂覆前分別提高了37.6%和35.7%。李坤等也采用溶膠-凝膠法在碳纖維表面制備出了均勻且無裂紋的二氧化硅（SiO2）涂層，進(jìn)而制備得到了SiO2涂覆碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，分析發(fā)現(xiàn)雖然復(fù)合材料的極限拉伸強(qiáng)度值只有527MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了理論值，但是碳纖維表面的SiO2涂層可明顯促進(jìn)液態(tài)鎂對碳纖維的潤濕。通過液態(tài)超聲結(jié)合固態(tài)攪拌的方法成功制備出了塊體石墨烯顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，石墨烯在基體中分布均勻，復(fù)合材料的性能強(qiáng)化明顯，1.2%石墨烯復(fù)合材料的顯微硬度可達(dá)66kg/mm2，比相同工藝條件下純鎂的性能提升了78%。

三、碳納米管/鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

伴隨鎂合金研究熱潮的不斷推進(jìn)，基于碳納米管優(yōu)良的物理化學(xué)性能，人們也試圖將碳納米管引入到金屬基復(fù)合材料中，期望利用其某一或某些特性對金屬基體的性能進(jìn)行強(qiáng)化。目前，諸多文獻(xiàn)已提到用碳納米管來強(qiáng)化Al、Cu、鎳（Ni）等金屬基體，且碳納米管對以上金屬基體都能起到良好的強(qiáng)化作用。

1.碳納米管的結(jié)構(gòu)與性能

碳納米管是一種具有完整分子結(jié)構(gòu)的新型碳結(jié)鋼，主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，層與層之間保持固定的距離，約為0.34nm，直徑平均為2～20nm，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管作為一維材料，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近年來，隨著碳納米管的深入研究，其廣闊的應(yīng)用前景也不斷的展現(xiàn)出來。

碳納米管主要具有以下性能：①力學(xué)性能：高強(qiáng)度、韌性好、伸長率大、低密度，它是理想的增強(qiáng)體；②熱學(xué)性能：單理論導(dǎo)熱率高達(dá)6 600W/（m·K），在實(shí)驗(yàn)過程中達(dá)到3 215W/（m·K）；③電學(xué)性能：具有接近金屬的電導(dǎo)率，可以成為半導(dǎo)體的上佳材料；④磁學(xué)性能：它的吸波性能顯著，頻帶寬；⑤儲氫性能：因?yàn)樘技{米的中空結(jié)構(gòu)，理論儲氫量在質(zhì)量比達(dá)到了15%。

2.碳納米管/鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

在鎂基體中添加碳納米管作為增強(qiáng)體是一種以不增加鎂合金比例為前提，并且能有效改善鎂合金線性膨脹熱穩(wěn)定性，提高合金抗拉強(qiáng)度的可行方法。但由于鎂本身的化學(xué)性質(zhì)較活潑，很容易在制備過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此對于以鎂或鎂合金作為基體的復(fù)合材料而言，應(yīng)嚴(yán)格控制制備過程中的工藝參數(shù)，防止界面處的不良反應(yīng)。目前，鎂基復(fù)合材料的制備工藝還有待于改進(jìn)和完善，其準(zhǔn)確的復(fù)合機(jī)理、界面處的強(qiáng)化機(jī)制等建設(shè)性的研究還不全面。對碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料而言，碳納米管在鎂基體中的形態(tài)為片狀，因此關(guān)于這方面的研究將又是一種新的方向。

碳納米管作為增強(qiáng)相對鎂或者鎂合金進(jìn)行改性，所得到的鎂基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，碳納米管鎂基復(fù)合材料已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。使用攪拌鑄造法選用鍍鎳多壁碳納米管制備鎂基復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)凝固過程中碳納米管成為非均結(jié)晶體的晶核，可以引起晶粒細(xì)化，同時(shí)提高碳納米管與基體的結(jié)合度，復(fù)合材料的彈性模量和抗拉強(qiáng)度與基體相比都有所提高。Y.Shimizu等人采用粉末冶金法制備了碳納米管增強(qiáng)AZ91D鎂基復(fù)合材料，當(dāng)碳納米管加入量為1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到388MPa。Qianqian Li等人制備的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能得到明顯提高。由此可見，碳納米管鎂基復(fù)合材料不僅可以細(xì)化晶粒提高力學(xué)性能，而且還可以提高抗腐蝕性能，碳納米管鎂基復(fù)合材料為工程材料的選擇提供了一個(gè)廣闊的領(lǐng)域。

四、碳納米管/鎂基復(fù)合材料存在的問題

由于鎂本身的化學(xué)性質(zhì)較活潑，很容易在制備過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此對于以鎂或鎂合金作為基體的復(fù)合材料而言，應(yīng)嚴(yán)格控制制備過程中的工藝參數(shù)，防止界面處的不良反應(yīng)。

目前，由于鎂及鎂合金存在強(qiáng)度低、模量小、塑性差和易腐性等缺點(diǎn)，鎂基復(fù)合材料的制備工藝還有待于改進(jìn)和完善，其準(zhǔn)確的復(fù)合機(jī)理、界面處的強(qiáng)化機(jī)制等建設(shè)性的研究還不全面。

碳納米管鎂基復(fù)合材料制備過程中面臨2個(gè)最大的挑戰(zhàn)：碳納米管的均勻分散以及與基體的潤濕性較差。由于碳納米管比表面積較大，表面能較高，因此具有很強(qiáng)的團(tuán)聚傾向。碳納米管大多數(shù)金屬不潤濕，因此與金屬基體之間很難形成較牢固的結(jié)合界面。

五、結(jié)語

目前，有關(guān)碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料方面的研究已有很多，但是如果從碳納米管和鎂合金各自方面加以深刻研究，再綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)加以優(yōu)化，必將取得非常好的效果，鑒于目前的研究，筆者認(rèn)為，在以后碳納米管/鎂基復(fù)合材料的研究將主要朝以下方向發(fā)展：

第一，研究碳納米管和鎂基復(fù)合材料熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，這樣不僅可以給生產(chǎn)帶來方便和效益，同時(shí)為更多科研工作者提供很好的平臺。

第二，深入研究碳納米和鎂基復(fù)合材料的界面行為以獲得界面良好的復(fù)合材料。

第三，進(jìn)行制備工藝、復(fù)合材料再生與回收技術(shù)已經(jīng)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能的各個(gè)領(lǐng)域更多 的原理研究與應(yīng)用探索。

第四，用于空間及交通、儲氫材料和老年人超輕結(jié)構(gòu)材料的研究。

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