粉末冶金法制備的碳納米管增強鎂基復(fù)合材料的微觀組織及力學(xué)性能研究

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（中化化工科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100083）

1 鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代工業(yè)對高性能材料需求的不斷增強，鎂基復(fù)合材料作為一種新型輕質(zhì)高強材料，具有良好的機械性能、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性能等特點，在航空、汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，鎂基復(fù)合材料缺乏韌性和低強度等問題限制了其在實際應(yīng)用中的推廣和發(fā)展[1]。

針對這些問題，研究人員開始探索引入納米級別的增強劑來改善鎂合金的性能。碳納米管作為一種新型的納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，因此被廣泛應(yīng)用在材料科學(xué)領(lǐng)域。

碳納米管的應(yīng)用可以提高鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能，如抗拉強度、屈服強度等，并且可以改善其微觀組織結(jié)構(gòu)。此外，碳納米管還可以提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，這與碳納米管本身的化學(xué)穩(wěn)定性和防腐蝕性能有關(guān)。

然而，使用碳納米管增強材料也存在一些問題。例如，碳納米管的加入會降低復(fù)合材料的韌性，需要在復(fù)合材料增強程度和韌性之間進行平衡。此外，制備過程中的工藝控制和粒徑大小的控制也是影響復(fù)合材料性能的重要因素[2]。

當(dāng)前，研究人員正在進一步探索碳納米管與其他材料的復(fù)合增強效果，尋找更加適合工業(yè)應(yīng)用的制備方法，并在改善材料的塑性變形能力等方面展開深入研究。這些研究將為鎂基復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用提供更好的理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)，同時也有助于推動輕質(zhì)高強材料的發(fā)展與應(yīng)用。

2 碳納米管增強材料在復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用

碳納米管具有良好的機械性能、導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料中。其中，碳納米管增強材料可以通過增加材料表面積，提高與基體的結(jié)合力，從而有效地提高材料的力學(xué)性能。因此，將碳納米管引入鎂基復(fù)合材料中，有望進一步提高該類材料的機械性能，并能夠改善其微觀組織結(jié)構(gòu)。

3 研究方法和實驗設(shè)計

3.1 實驗方案的設(shè)計

本研究采用粉末冶金法制備碳納米管增強鎂基復(fù)合材料。具體步驟包括：

1）制備混合粉末：選擇100 g 的鎂粉、0.5 g 的碳納米管和0.1 g 的添加劑（MgO 和Al2O3），將其混合均勻。

2）熱處理過程：將混合粉末置于高溫爐中，在500 ℃下進行熱處理，持續(xù)時間為1 h，冷卻后取出，制成鎂基復(fù)合材料。

3）各組樣品設(shè)計：制備4 組樣品，分別包括無添加碳納米管的純鎂粉樣品、添加質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%的碳納米管的鎂基復(fù)合材料樣品。

4）微觀組織表征：對制備好的樣品進行掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）等手段的微觀組織表征。

5）力學(xué)性能測試：采用拉伸試驗和壓縮試驗等方法，對制備好的樣品的力學(xué)性能進行測試。

3.2 實驗所需設(shè)備和試劑

本實驗所需設(shè)備包括高溫爐、掃描電子顯微鏡、機械性能測試儀等。所需試劑包括鎂粉、碳納米管、添加劑等。

3.3 實驗參數(shù)和測試方法

本研究中，通過調(diào)整鎂粉、碳納米管和其他添加劑的比例，控制熱處理溫度和時間等參數(shù)，制備出不同含量碳納米管的鎂基復(fù)合材料樣品。對制備好的樣品進行掃描電子顯微鏡、X 射線衍射等手段的微觀組織表征，并采用拉伸試驗和壓縮試驗等力學(xué)性能測試方法，對樣品的力學(xué)性能進行分析和評估。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 微觀組織表征和分析

在本研究中，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）等手段對不同含量碳納米管樣品進行了微觀組織表征和結(jié)晶質(zhì)量分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 SEM 觀察結(jié)果和XRD 分析結(jié)果

1）對制備好的樣品進行了SEM觀察。從表1 結(jié)果顯示，加入適當(dāng)含量的碳納米管后，材料的晶粒大小和形貌都發(fā)生了一定的變化。在無添加碳納米管的純鎂粉樣品中，晶粒呈現(xiàn)出較大且不均勻的分布狀態(tài)。而在添加質(zhì)量分數(shù)為0.5%的碳納米管的樣品中，晶粒尺寸有所減小，并且更為均勻地分布在整個樣品中。隨著碳納米管含量的增加，晶粒尺寸進一步減小，并呈現(xiàn)出更為均勻的分布狀態(tài)。

2）對不同樣品的晶體結(jié)構(gòu)進行了XRD 分析。結(jié)果顯示，在添加適當(dāng)含量的碳納米管后，材料的晶體結(jié)構(gòu)得到了改善，晶格略有收縮，表明碳納米管的引入改善了材料的結(jié)晶質(zhì)量。尤其在添加質(zhì)量分數(shù)為0.5%的碳納米管的樣品中，明顯觀察到了晶格略有收縮的現(xiàn)象。這也進一步證實了SEM觀察結(jié)果，即在添加適當(dāng)含量的碳納米管的作用下，材料的晶粒尺寸減小，并呈現(xiàn)出更為均勻的分布狀態(tài)。

通過對不同含量碳納米管樣品的微觀組織表征和結(jié)晶質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)添加碳納米管可以改善鎂基復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶質(zhì)量，并且促進材料晶粒尺寸的均勻分布。這不僅有助于提高材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，同時也為后續(xù)研究提供了理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。

4.2 力學(xué)性能測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

在本研究中，對制備好的樣品進行了拉伸試驗和壓縮試驗等方法的力學(xué)性能測試，以探究碳納米管對鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同含量碳納米管樣品的拉伸試驗數(shù)據(jù)

由表2 試驗結(jié)果表明，在適當(dāng)控制碳納米管含量的情況下，加入碳納米管可以有效提高鎂基復(fù)合材料的機械性能。具體來說，隨著碳納米管含量的增加，樣品的抗拉強度和屈服強度均有所提高。其中，添加質(zhì)量分數(shù)為1.0%的碳納米管的樣品的抗拉強度最高，達到了155 MPa，比無添加碳納米管的樣品提高了約46%。同時，在應(yīng)變到達一定程度后，加入碳納米管的樣品的斷裂形態(tài)更具韌性，顯示出較好的拉伸延展性能。

然而，同時也發(fā)現(xiàn)隨著碳納米管含量的增加，材料的塑性變形能力也有所下降。這一點在壓縮試驗中得到更加明顯的體現(xiàn)。雖然在低應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，加入碳納米管后，樣品的壓縮強度也有所提高，但隨著應(yīng)變的增加，材料的塑性變形能力下降，表明碳納米管增加了材料的脆性。

研究表明，在適當(dāng)?shù)奶技{米管含量下，加入碳納米管可以有效提高鎂基復(fù)合材料的機械性能。然而，這也需要在增強程度和材料韌性之間進行平衡，并且需要進一步優(yōu)化制備工藝和控制粒徑大小等因素，以充分發(fā)揮碳納米管的增強作用。

5 結(jié)論

本研究采用粉末冶金法制備出了碳納米管增強鎂基復(fù)合材料，并對其微觀組織和力學(xué)性能進行了表征和測試。結(jié)果表明，適當(dāng)控制碳納米管含量可以有效地提高材料的機械性能，并且可以改善其微觀組織結(jié)構(gòu)。在拉伸試驗中，加入質(zhì)量分數(shù)為1.0%的碳納米管的樣品的抗拉強度最高，達到了155 MPa，比無添加碳納米管的樣品提高了約46%。同時，在應(yīng)變到達一定程度后，加入碳納米管的樣品的斷裂形態(tài)更具韌性，顯示出較好的拉伸延展性能。然而，在壓縮試驗中，也發(fā)現(xiàn)隨著碳納米管含量的增加，材料的塑性變形能力下降，表明碳納米管增加了材料的脆性。

同時，也通過SEM和XRD 等手段對不同含量碳納米管樣品的微觀組織和結(jié)晶質(zhì)量進行了分析。結(jié)果顯示，在添加適當(dāng)含量碳納米管后，材料的晶體結(jié)構(gòu)得到了改善，晶格略有收縮，并且促進材料晶粒尺寸的均勻分布。這不僅有助于提高材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，同時也為后續(xù)研究提供了理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。

在未來的工業(yè)應(yīng)用中，可以考慮引入碳納米管作為鎂基復(fù)合材料的增強劑，以提高材料的性能和使用壽命。同時，本研究也為鎂基復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。未來可以在進一步探索碳納米管與其他材料的復(fù)合增強效果、尋找更加適合工業(yè)應(yīng)用的制備方法以及改善材料的塑性變形能力等方面展開深入研究。