碳納米管鎂基復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

□潘 強(qiáng)□陳廣軍 □潘會(huì)平 □劉永利 □劉爾璽□楊 華

1蘭州蘭石能源裝備工程研究院 蘭州 730314

2中國(guó)石油蘭州石化公司 石油化工廠 蘭州 730060

1 鎂基復(fù)合材料概述

鎂基復(fù)合材料受到航空航天、汽車、機(jī)械及電子等領(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(chǎng)應(yīng)用潛力與價(jià)值[1]。復(fù)合材料是隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展而涌現(xiàn)出的一類新材料，20世紀(jì)70年代以來，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)[2]。

鎂合金是最輕的結(jié)構(gòu)材料之一。鎂及鎂基材料由于具有一些特殊性能，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優(yōu)良等，在移動(dòng)通信設(shè)備、便攜式計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品的殼體結(jié)構(gòu)件，以及汽車、電子、電器、航空航天、國(guó)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[3]。

2 鎂基復(fù)合材料的發(fā)展前景

隨著金屬合金研究熱潮的不斷推進(jìn)，加之人們對(duì)碳納米管優(yōu)良物理化學(xué)性能的認(rèn)識(shí)，人們開始嘗試將碳納米管引入金屬基復(fù)合材料中，期望利用碳納米管的特性對(duì)金屬基體性能進(jìn)行強(qiáng)化。目前，諸多文獻(xiàn)已提到用碳納米管來強(qiáng)化鋁、銅、鎳等金屬基體[4]。在鎂基體中添加碳納米管作為增強(qiáng)體，以不增大鎂合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)為前提，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。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(duì)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)，防止在界面處產(chǎn)生不良反應(yīng)。目前，鎂基復(fù)合材料的制備工藝還有待改進(jìn)和完善，對(duì)于其復(fù)合機(jī)制、界面處強(qiáng)化機(jī)制等的研究還不完善[5]，因此，對(duì)碳納米管鎂基復(fù)合材料的研究將是一個(gè)新的研究方向。

3 鎂基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

金屬鎂呈銀白色，熔點(diǎn)為649℃，質(zhì)量輕，密度為1.74 g/cm3，化學(xué)活性強(qiáng)，與氧的親合力大，常用作還原劑。粉狀或細(xì)條狀的鎂，在空氣中很容易燃燒，燃燒時(shí)發(fā)出眩目的白光，且極易溶解于有機(jī)和無機(jī)酸中。鎂能直接與氮、硫、鹵素等化合。金屬鎂無磁性，具有良好的熱消散性，質(zhì)軟，熔點(diǎn)較低。

鎂基復(fù)合材料的主要特點(diǎn)是密度低、比強(qiáng)度和比剛度高，具有耐磨、耐高溫、耐沖擊、尺寸穩(wěn)定、易鑄造、減振性好和電磁屏蔽優(yōu)良等性能。由于鎂基復(fù)合材料具有熔點(diǎn)低、化學(xué)活性強(qiáng)、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是人們研究和解決的熱點(diǎn)。因?yàn)殒V的熔點(diǎn)接近于鋁的熔點(diǎn)，所以很多鎂基復(fù)合材料的制備方法都是在鋁基復(fù)合材料研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣和改進(jìn)的。傳統(tǒng)的制備方法有普通鑄造法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法和粉末冶金法。此外，還有一些新制備方法，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[6]。近年來，由于準(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(rùn)濕性問題也通過不斷研究被逐步解決，這為鎂基復(fù)合材料的研究人員拓展了新空間[7]。

韓麗等[8]采用溶膠-凝膠法制備了氧化銅涂覆硼酸鎂晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，并對(duì)其界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)氧化銅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(zhǎng)率相較于未涂覆前分別提高了37.6%和35.7%。李坤等[9]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涂層，進(jìn)而制備得到了二氧化硅涂覆碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，通過分析發(fā)現(xiàn)，雖然復(fù)合材料的極限拉伸強(qiáng)度值只有527 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了理論值，但是碳纖維表面的二氧化硅涂層可明顯促進(jìn)液態(tài)鎂對(duì)碳纖維的潤(rùn)濕。另一方面，研究人員通過液態(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[10]。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)66 kg/mm2，比相同工藝條件下純鎂的性能提升了78%。

4 碳納米管概述

4.1 基本結(jié)構(gòu)

碳納米管是一種具有完整分子結(jié)構(gòu)的新型碳結(jié)構(gòu)，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距離，約為0.34 nm，平均直徑為2～20 nm，可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)特性。近年來，隨著人們對(duì)碳納米管的研究深入，其廣闊的應(yīng)用前景也不斷展現(xiàn)出來[11-12]。

4.2 性能

（1）力學(xué)性能。強(qiáng)度高，韌性好，伸長(zhǎng)率大，密度低，是理想的增強(qiáng)體。

（2）熱學(xué)性能。理論導(dǎo)熱率為6 600 W/（m·K），在試驗(yàn)過程中可達(dá)3 215 W/（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。吸波性能顯著，頻帶寬。

5 碳納米管鎂基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

碳納米管作為增強(qiáng)相對(duì)鎂或鎂合金進(jìn)行改性，所得到的鎂基復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)和耐磨性好等優(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，在其凝固過程中確認(rèn)碳納米管成為非均結(jié)晶體的晶核，可以對(duì)晶粒起到細(xì)化作用，同時(shí)能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[13-14]。研究人員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（質(zhì)量百分比）為1.0%時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到388 MPa[15]。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，而且能夠提高抗腐蝕性能。

6 制備碳納米管鎂基復(fù)合材料存在的問題

碳納米管鎂基復(fù)合材料在制備過程中面臨兩大挑戰(zhàn)：碳納米管的均勻分散及與基體的潤(rùn)濕性較差。由于碳納米管的比表面積較大，表面能較高，因此具有很強(qiáng)的團(tuán)聚傾向。另一方面，碳納米管與大多數(shù)金屬均不潤(rùn)濕，因此與金屬基體之間很難形成較牢固的結(jié)合界面。

7 未來研究發(fā)展

目前，對(duì)碳納米管鎂基復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得很多成果，今后將主要在以下幾個(gè)方面對(duì)其加強(qiáng)研究。

（1）對(duì)碳納米管和鎂基復(fù)合材料的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究，可以在為生產(chǎn)帶來方便和效益的同時(shí)，為更多科研工作者提供研究平臺(tái)。

（2）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。

（3）開展對(duì)制備工藝、復(fù)合材料再生與回收技術(shù)，以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能等各個(gè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用探索。

（4）利用材料優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，不斷拓展應(yīng)用空間。

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