碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，涉及以基质材料为特征的含非金属纤维的合金，是通过在碳纳米管表面原位合成纳米级镁颗粒，从而获得镁包覆碳纳米管复合粉末，再通过超声挤压铸造工艺将其制备成碳纳米管增强镁基复合材料的方法，克服了现有技术制备碳纳米管增强镁基复合材料方法中存在的碳纳米管团聚，导致碳纳米管在镁基体中分散不均匀；制备工艺导致碳纳米管存在结构损伤，降低了其增强效果；难以避免镁基体出现不同程度的氧化现象；复合材料中的碳纳米管–镁界面润湿性差，仅形成了弱界面结合，从而导致碳纳米管增强镁基复合材料综合力学性能不佳的缺陷。

Preparation of Carbon Nanotubes Reinforced Magnesium Matrix Composites

The preparation method of the carbon nanotube reinforced magnesium matrix composite material of the invention relates to an alloy containing non-metallic fibers characterized by a matrix material. By in-situ synthesis of nano-sized magnesium particles on the surface of the carbon nanotube, the magnesium-coated carbon nanotube composite powder is obtained, and then the carbon nanotube reinforced magnesium matrix composite material is prepared by the ultrasonic squeeze casting process, which overcomes the existing method. The agglomeration of carbon nanotubes in the process of preparing carbon nanotubes reinforced magnesium matrix composites leads to the uneven dispersion of carbon nanotubes in the magnesium matrix; the fabrication process leads to the structural damage of carbon nanotubes and reduces the reinforcing effect; it is difficult to avoid the oxidation of magnesium matrix to varying degrees; the poor wettability of carbon nanotubes-magnesium interface in the composites only forms a weak boundary. Surface bonding results in poor mechanical properties of carbon nanotubes reinforced magnesium matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法
本专利技术的技术方案涉及以基质材料为特征的含非金属纤维的合金，具体地说是碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法。
技术介绍
近年来，随着制造业轻量化的提出，传统合金材料已经无法适应制造业轻量化发展的要求，因此对具有优异综合性能的新型轻金属，如镁和铝基复合材料的需求日益增加。其中，镁基复合材料继承了镁的轻质特性，且比镁及镁合金具有更高的强度、塑性、高温稳定性和耐腐蚀性。此外，镁也是地球上储藏最丰富的元素之一，且易于回收利用。因此，镁基复合材料被认为是二十一世纪制造业轻量化发展的良好绿色材料，在航空航天、汽车工业和建材领域的高科技制造业中有着广泛的应用前景。自从碳纳米管被科学家发现以来，其作为一种结构独特、具有优异物理和力学性能的新型碳纳米材料在材料领域受到了研究人员的广泛关注。碳纳米管具有极高的强度和弹性模量、较高的韧性、优异的导电和导热性、良好的结构稳定性和耐热性，同时它又兼备了碳的轻质特性，因此，被认为是用作进一步改善镁基复合材料物理和力学性能的理想增强相。近年来，碳纳米管增强镁基复合材料已成为综合性能优异的新型轻金属基复合材料的研究热点。但在纳米相增强镁基复合材料的现有制备技术中还存在一些尚未克服的缺陷问题，比如，如何避免镁基体在制备过程中被氧化的问题，如何使纳米相在镁基体中保持结构完整及分散均匀的问题，以及如何避免纳米相与镁基体之间润湿性差导致的界面结合强度弱的问题。因此，需要通过新工艺和新方法来解决碳纳米管增强镁基复合材料现有制备过程中存在的上述问题，使所制得的碳纳米管增强镁基复合材料具有优异的综合性能，使其成为广泛应用于制造业轻量化领域的轻质结构材料。关于制备碳纳米管增强镁基复合材料的研究工作已被开展。例如，CN104611648A报道了一种用包覆氧化镁碳纳米管增强镁基复合材料的方法，通过将化学包覆氧化镁后的碳纳米管与丙酮溶液混合，随后进行超声处理，再将镁合金粉末加入到混合液中得到混合浆液，经过冷压、烧结、热挤压制备了包覆氧化镁碳纳米管增强镁基复合材料；CN102676859A报道了原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，在制备Co/Mg催化剂前驱体的基础上，采用化学气相沉积法原位合成碳纳米管与镁的混合粉末，然后对其进行球磨研磨，最后通过压制、烧结和热挤压工艺获得碳纳米管增强镁基复合材料；CN108179294A披露了一种制备层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料方法，通过镁箔作阴极，采用电泳沉积法制备碳纳米管/镁层状基元，然后将其层层堆叠，最后通过真空热压烧结得到层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料；CN103014567A公开了一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，将碳纳米管与金属粉末按一定质量比混合放入球磨机中球磨，之后用金属箔纸将混合料包好，放入模具中压制成块体，再用钟罩将其压入完全熔化的镁基熔体中，进行机械搅拌，最后浇铸制得碳纳米管增强镁基复合材料；CN102206793B公开了碳纳米管-氧化铝复合增强镁基复合材料的制备方法，是通过化学气相沉积法制备碳纳米管-氧化铝复合增强相，然后将该碳纳米管-氧化铝复合增强相加入到镁基熔体中，最后经搅拌和浇注制得碳纳米管-氧化铝联合增强镁基复合材料；CN105543598B公开了一种增强镁基复合材料的制备方法，是通过化学气相沉积法制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，然后将镁粉加入到该碳纳米管-碳化硅原位复合增强相中，进行液相机械搅拌混合物，最后通过放电等离子体烧结工艺制备碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料；CN106498225B公开了一种碳纳米管-氧化铝混杂增强镁铝合金复合材料的制备方法，是通过化学气相沉积法制备原位复合碳纳米管-氧化铝和原位复合碳纳米管-铝混杂增强相，然后将该原位复合碳纳米管-氧化铝和原位复合碳纳米管-铝混杂增强相压制成预制块状，最后将熔融的镁浇注到装有预热的预制体的浸渗模具中，通过压力浸渗工艺制得碳纳米管-氧化铝混杂增强镁铝合金复合材料。总之，上述碳纳米管增强镁基复合材料制备方法的相关现有技术普遍存在在复合材料制备过程中存在碳纳米管团聚，导致碳纳米管在镁基中分散不均匀；制备工艺导致碳纳米管存在结构损失，降低了其增强效果；难以避免镁基出现不同程度的氧化现象；复合材料中的碳纳米管–镁界面润湿性差，仅形成了弱界面结合的诸多缺陷。上述缺陷使得现有碳纳米管增强镁基复合材料的综合力学性能仍不理想，导致其在制造业轻量化材料领域的应用中存在较大局限性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，是通过在碳纳米管表面原位合成纳米级镁颗粒，从而获得镁包覆碳纳米管复合粉末，再通过超声挤压铸造工艺将其制备成碳纳米管增强镁基复合材料的方法，克服了现有技术制备碳纳米管增强镁基复合材料方法中存在的碳纳米管团聚，导致碳纳米管在镁基体中分散不均匀；制备工艺导致碳纳米管存在结构损伤，降低了其增强效果；难以避免镁基体出现不同程度的氧化现象；复合材料中的碳纳米管–镁界面润湿性差，仅形成了弱界面结合，从而导致碳纳米管增强镁基复合材料综合力学性能不佳的缺陷。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，是通过在碳纳米管表面原位合成纳米级镁颗粒，从而获得镁包覆碳纳米管复合粉末，再通过超声挤压铸造工艺将其制备成碳纳米管增强镁基复合材料的方法，具体步骤如下：第一步，镁包覆碳纳米管复合粉末的制备：将0.01～1g碳纳米管加入到四氢呋喃中形成悬浮液，确保碳纳米管在四氢呋喃中的质量浓度为1×10-4～2×10-2g/mL，用超声分散仪对上述含有碳纳米管的四氢呋喃悬浮液进行超声处理20～60min，使碳纳米管均匀分散在四氢呋喃中，再将0.8～4.5g萘、3.6～14.6g粒径为30～80μm的锂粉和24.7～99.0g的无水氯化镁固体依次加入到上述四氢呋喃悬浮液中，将该悬浮液置于充满纯度99.9％的高纯氩气手套箱内，在15～60℃的温度下，在磁力搅拌器上以200～700r/min的转速对该悬浮液进行搅拌12～72h，从而在四氢呋喃中原位合成镁包覆碳纳米管复合粉末，之后采用微孔滤膜和无水乙醇对上述四氢呋喃中原位合成出的镁包覆碳纳米管复合粉末进行过滤和洗涤2～6次，把由此获得的镁包覆碳纳米管复合粉末置于石英方舟中，再将石英方舟置于真空干燥箱中于真空度为-0.1～-0.05MPa、温度为50～80℃的条件下干燥2～5h，制得干燥的镁包覆碳纳米管复合粉末，该镁包覆碳纳米管复合粉末中碳纳米管的质量百分比含量为0.04～13.67％；第二步，碳纳米管增强镁基复合材料的制备：取6～30g上述第一步制得的镁包覆碳纳米管复合粉末在研钵中研磨3～10min，然后将其放置于真空度为-0.5～-0.01MPa的电阻炉的铁坩埚内，采用电磁感应加热方式将铁坩埚升温至700～1000℃并保温20～60min使得其中的镁包覆碳纳米管复合粉末变为熔体状态，再将YPR21D-ZB型超声设备的高强度超声波探头下行至熔体内距离液面30～80mm处以0.5～2.2kW的超声功率对熔体进行超声处理5～20min，而后在2.0～10.0MPa的氩气压力作用下将上述超声处理后的熔体压入预先预热到200～420℃的挤压模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：是通过在碳纳米管表面原位合成纳米级镁颗粒，从而获得镁包覆碳纳米管复合粉末，再通过超声挤压铸造工艺将其制备成碳纳米管增强镁基复合材料的方法，具体步骤如下：第一步，镁包覆碳纳米管复合粉末的制备：将0.01～1g碳纳米管加入到四氢呋喃中形成悬浮液，确保碳纳米管在四氢呋喃中的质量浓度为1×10

【技术特征摘要】
1.碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：是通过在碳纳米管表面原位合成纳米级镁颗粒，从而获得镁包覆碳纳米管复合粉末，再通过超声挤压铸造工艺将其制备成碳纳米管增强镁基复合材料的方法，具体步骤如下：第一步，镁包覆碳纳米管复合粉末的制备：将0.01～1g碳纳米管加入到四氢呋喃中形成悬浮液，确保碳纳米管在四氢呋喃中的质量浓度为1×10-4～2×10-2g/mL，用超声分散仪对上述含有碳纳米管的四氢呋喃悬浮液进行超声处理20～60min，使碳纳米管均匀分散在四氢呋喃中，再将0.8～4.5g萘、3.6～14.6g粒径为30～80μm的锂粉和24.7～99.0g的无水氯化镁固体依次加入到上述四氢呋喃悬浮液中，将该悬浮液置于充满纯度99.9％的高纯氩气手套箱内，在15～60℃的温度下，在磁力搅拌器上以200～700r/min的转速对该悬浮液进行搅拌12～72h，从而在四氢呋喃中原位合成镁包覆碳纳米管复合粉末，之后采用微孔滤膜和无水乙醇对上述四氢呋喃中原位合成出的镁包覆碳纳米管复合粉末进行过滤和洗涤2～6次，把由此获得的镁包覆碳纳米管复合粉末置于石英方舟中，再将石英方舟置于真空干燥箱中于真空度为-0.1～-0.05MP...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海鹏，戴西斌，赵利新，王加义，李乐乐，纵荣荣，
申请(专利权)人：河北工业大学，天津金力研汽车工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12