超轻高弹性模量的碳纳米管增强镁锂复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了超轻高弹性模量的碳纳米管增强镁锂复合材料及制备方法；其组分为：Li 9～16％，Zn 0.5～2％，Al 0.5～2％，Sc 0.02～0.2％，碳纳米管C 0.1～2.5％，余量为Mg。制备时，对碳纳米管进行镀层处理；将镀层保护的碳纳米管、镁屑和硬脂酸混合球磨后压制成预制块；氩气保护下，熔化金属原料得到合金液，低速搅拌熔体；降温至熔体近液相线温度附近，在快速机械搅拌中加入预制块；搅拌结束后加热升温到浇铸温度，浇铸。本发明专利技术解决了制备过程中Li和C的过度反应、碳纳米管在基体中分散性差的难题，使镀层保护的碳纳米管稳定均匀地分散在基体中；获得的碳纳米管增强镁锂复合材料密度低、弹性模量和强度高。

Ultra light and high elastic modulus carbon nanotubes reinforced Mg Li composites and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
超轻高弹性模量的碳纳米管增强镁锂复合材料及制备方法
本专利技术属于金属基复合材料领域，具体涉及一种超轻高弹性模量的碳纳米管增强镁锂复合材料及制备方法。
技术介绍
镁锂合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、武器装备等迫切需求轻量化的领域具有广阔的应用前景。然而弹性模量低是限制镁锂合金应用的瓶颈问题之一。对于确定结构的部件，弹性模量是决定其刚度大小的重要因素。构件的刚度不够，容易出现失稳现象乃至造成灾难性事故。从而，提高镁锂合金的弹性模量是拓展镁锂合金应用范围的关键途径之一。由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及其体积分数决定的。常规Mg-Li-Al或Mg-Li-Zn合金体系中各相弹性模量普遍偏低，这也导致镁锂合金的弹性模量偏低，在35-45GPa之间。碳纳米管作为一种先进碳材料，其弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。在镁锂合金中添加微量碳纳米管就可以有效提升镁锂合金的弹性模量。此外，由于碳纳米管增强相的添加，材料的强度也会有所提高。已有技术文献表明，在不含Li的镁合金中加入碳纳米管，可显著提高材料的力学性能。而在镁锂合金中，目前尚无碳纳米管增强体的报道。闫洪等公开了《一种涂覆单质铜的多壁碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法》(公开号CN106244948A)，首先通过化学法制备了涂覆单质铜的多壁碳纳米管，之后采用粉末冶金将其和镁铝合金粉冷压成块，再进行烧结，制得复合材料。采用粉末冶金方法可以控制复合材料的制备温度，防止合金和外加增强颗粒过度反应。但是由于镁锂合金极易氧化，镁锂合金粉末难以制备和保存，从而采用粉末冶金的思路难以制备镁锂基复合材料。并且，粉末冶金制备和熔炼制备复合材料有很大区别，在熔炼过程中纯金属镀层极易软化并扩散入基体中。刘勇等公开了《一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法》(公开号：CN103014567A)，采用球磨和压制的方法，制备碳纳米管/金属粉末预制块，在熔炼过程中将预制块加入AZ91D合金中，浇铸制得碳纳米管增强镁基复合材料坯锭。戴剑锋等将CNTs和SiCp的混合物直接加入到AZ91D熔体中，复合材料的力学性能相比于基合金有所提高(一种增强AZ91D镁合金力学性能的方法，公开号CN101818314A)。徐侃等通过半固态成型技术将附着有单壁碳纳米管的镁合金原料制成单壁碳纳米管掺杂的AZ91系列镁合金结构件(单壁碳纳米管掺杂的镁合金结构件的制备，公开号CN107904430A)。与传统镁合金相比，镁锂合金中存在非常活泼的金属元素Li。在镁锂合金熔体中添加碳纳米管，Li会和C在高温下反应生成Li2C2，使碳纳米管的强化作用得不到充分发挥。且随Li含量增加，该反应更加难以忽略。由于镁锂合金的超轻性，在镁锂合金中加入碳纳米管也容易出现碳纳米管的团聚和分散不均匀等问题。此外，镁锂合金的半固态温度区间较窄，也不宜采用半固态成型技术制备镁锂基复合材料。由于镁锂合金容易氧化、Li容易和C反应等问题的存在，已有制备技术难以实现碳纳米管增强镁锂基复合材料的高质量制备。本专利技术首次创造性地将碳纳米管镀层处理，镀层保护的碳纳米管/镁屑预制块制备、近液相线温度快速搅拌添加预制块、升温快速浇铸系列工艺相结合，解决了碳纳米管和Li过度反应的难题，实现了细小的碳纳米管在镁锂基合金中弥散稳定的分布，在保持镁锂合金低密度的前提下，大幅度提高了材料的弹性模量。
技术实现思路
针对镁锂合金弹性模量低和镁锂基复合材料制备困难的问题，本专利技术的目的在于提供一种超轻高弹性模量的碳纳米管增强镁锂复合材料及其制备方法。该方法首先对碳纳米管进行镀层处理，镀层材料为MgO，Mg2Si，TiB2和Al2Y化合物中的一种或几种，采用物理气相沉积的方法镀层，该类镀层材料熔点高，既可起到在高温下保护CNT完整结构的作用，又可进一步提高复合材料模量和强度。之后制备镀层保护的碳纳米管/镁屑预制块和近液相线温度搅拌添加预制块。该制备方法克服了传统液相法加入碳纳米管造成Li和C的过度反应、碳纳米管在镁锂基体中分散不均匀的技术难题，实现了微量碳纳米管在镁锂基体中的良好润湿以及弥散稳定的分散。制备的碳纳米管增强镁锂基复合材料密度低，弹性模量和强度高，并兼具一定的塑性。该专利技术对于推动镁锂基复合材料在航空航天和武器装备领域的应用具有重要意义。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：第一方面，本专利技术涉及一种超轻高弹性模量的碳纳米管增强镁锂基复合材料，所述复合材料中各组分的质量百分比含量为：Li9～16％，Al0.5～2％，Zn0.5～2％，Sc0.02～0.2％，碳纳米管C0.1～2.5％，余量为Mg。进一步的，所述碳纳米管为镀层处理后的碳纳米管；所述镀层为Mg2Si，MgO，TiB2、Al2Y中的一种或几种。镀层厚度可控制在10～50nm。第二方面，本专利技术涉及一种超轻高弹性模量的碳纳米管增强镁锂基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：采用物理气相沉积的方法，对单壁或多壁碳纳米管进行镀层处理；将镀层保护的碳纳米管、镁屑和微量过程控制剂硬脂酸按照一定比例进行混合球磨，得到复合粉末；对复合粉末进行压制形成预制块；在真空熔炼炉中，氩气氛围保护下，熔化金属原料得到镁锂合金液，低速预搅拌熔体；降温至熔体的近液相线温度附近，在快速机械搅拌过程中，加入所述预制块；搅拌结束后加热升温到浇铸温度，浇铸得到复合材料。进一步的，对碳纳米管的镀层处理包括镀Mg2Si、MgO、TiB2、Al2Y中的一种或几种。进一步的，球磨过程中，镁屑和镀层保护的碳纳米管的质量比为(10-40):1。进一步的，球磨过程中，微量过程控制剂硬脂酸占球磨粉末总质量的0.5-2％。进一步的，球磨过程中，球磨速度150-350r/min，球磨时间5-15h。进一步的，低速预搅拌的速率为100-200r/min，搅拌时间为1-5min。进一步的，加入预制块的近液相线温度为熔体的液相线温度以上20-50℃。进一步的，加入预制块时，快速机械搅拌的速率为700-1200r/min，搅拌时间为10-30min。进一步的，所述浇铸温度为660-700℃。本专利技术通过将对碳纳米管镀层处理，镀层保护的碳纳米管/镁屑预制块制备、近液相线温度快速搅拌添加预制块、升温快速浇铸系列工艺相结合，实现了细小的碳纳米管在镁锂基合金中弥散稳定的分布，获得了一种超轻高弹性模量的碳纳米管增强镁锂基复合材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1)本专利技术中，对碳纳米管进行镀层处理，在近液相线温度搅拌添加预制块、快速升温浇铸等工艺基本阻止了C和Li的反应，实现了碳纳米管在镁锂基合金中的稳定分布；2)本专利技术中，通过球磨法制备镀层保护的碳纳米管/镁屑复合粉末并后续压制成预制块，在向熔体中加入预制块时在近液相线温度剧烈搅拌等工艺，实现了碳纳米管在镁锂基合金中的弥散均匀分布；3)本专利技术采用的碳纳米管镀层材料为Mg2Si，MgO，TiB2或Al2Y中的一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管增强镁锂复合材料，其特征在于，所述复合材料中各组分的质量百分比含量为：Li 9～16％，Al 0.5～2％，Zn 0.5～2％，Sc 0.02～0.2％，碳纳米管C 0.1～2.5％，余量为Mg。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管增强镁锂复合材料，其特征在于，所述复合材料中各组分的质量百分比含量为：Li9～16％，Al0.5～2％，Zn0.5～2％，Sc0.02～0.2％，碳纳米管C0.1～2.5％，余量为Mg。


2.如权利要求1所述的碳纳米管增强镁锂基复合材料，其特征在于，所述碳纳米管为镀层处理后的碳纳米管；所述镀层为Mg2Si、MgO、TiB2、Al2Y中的一种或几种。


3.一种如权利要求1或2所述的碳纳米管增强镁锂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
采用物理气相沉积的方法对碳纳米管进行镀层处理；
镀层保护的碳纳米管、镁屑和微量过程控制剂硬脂酸按比例进行混合球磨，得到复合粉末；对复合粉末进行压制形成预制块；
在真空熔炼炉中，氩气氛围保护下，熔化金属原料得到镁锂合金液，低速预搅拌熔体；降温至熔体的近液相线温度附近，在快速机械搅拌过程中，加入所述预制块；搅拌结束后加热升温到浇铸温度，浇铸得到复合材料。


4.如权利要求3所述的碳纳米管增强镁锂基复合材料的制备方法，其特征在于，对碳纳米管的镀层处理包括镀Mg2Si、MgO、TiB2、...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴国华，冀浩，刘文才，丁德华，廖光澜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31