CNTs增強鎂基復合材料研究現狀

楊林沖 王坦 張永超 陳杰 趙廣治 張保豐

（黃河科技學院，河南 鄭州450063）

CNTs增強鎂基復合材料研究現狀

楊林沖 王坦 張永超 陳杰 趙廣治 張保豐

（黃河科技學院，河南 鄭州450063）

本文綜述了碳納米管增強鎂基復合材料的制備方法和研究現狀，介紹了目前常用的熔體攪拌法、消失模鑄造法、粉末冶金法、熔體浸滲法和預制塊鑄造法等制備方法的原理和制備技術。

CNTs；鎂基；復合材料；制備方法

鎂及鎂合金具有密度低，比強度、比剛度高，鑄造性能和切削加工性好等優點，被廣泛應用于汽車、航空、航天、通訊、光學儀器和計算機制造業。但鎂合金強度低，耐腐蝕性能差嚴重阻礙其廣泛應用。

碳納米管不僅具有極高的強度、韌性和彈性模量，而且具有良好的導電性能，還是目前最好的導熱材料。這些獨特的性能使之特別適宜作為復合材料的納米增強相。近年來，碳納米管作為金屬的增強材料來強度、硬度、耐摩擦、磨損性能以及熱穩定性等方面發揮了重要作用。

近些年，鎂基復合材料成為了金屬基復合材料領域的新興研究熱點之一，碳納米管增強鎂基復合材料的研究也逐漸成為材料學者研究重點之一。本文就目前有關碳納米管增強鎂基合金復合材料的制備技術做綜述，以供研究者參考。

1 熔體攪拌法

熔體攪拌法是通過機械或電磁攪拌使增強相充分彌散到基體熔體中，最終凝固成形的工藝方法。主要原理是利用高速旋轉的攪拌器攪動金屬熔體，將CNTS加入到熔體漩渦中，依靠漩渦的負壓抽吸作用使CNTS進入金屬熔體中，并隨著熔體的強烈流動迅速擴散[1]。

周國華[2]等人采用攪拌鑄造法制備了CNTs/AM60鎂基復合材料。研究采用機械攪拌法，在精煉處理后，在機械攪拌過程下不斷加入碳納米管到鎂熔體中，攪拌時間20min，然后采用真空吸鑄法制得拉伸試樣。研究結果顯示，碳納米管具有細化鎂合金組織的作用，在拉伸過程中，能夠起到搭接晶粒和承載變形抗力的作用。

C.S.Goh[3]等采用攪拌鑄造法制備了CNTS/Mg基復合材料時，金屬熔化后采用攪拌槳以450r/min的轉速攪拌，然后用氬氣噴槍將熔體均勻地噴射沉積到基板上，從而制得CNTS/Mg基復合材料。力學性能測試表明，復合材料具有較好的力學性能。

李四年[4]等人采用液態攪拌鑄造法制備了CNTS/Mg基復合材料。CNTS加入前首先經過了化學鍍鎳處理，研究采用了正交實驗，考察了CNTS加入量、加入溫度和攪拌時間對復合材料組織和性能的影響。研究結果表表明，CNTS加入量在1.0%、加熱溫度在680℃、攪拌3min時，能獲得綜合性能較好的復合材料。

攪拌鑄造法優點是工藝簡單、成本低、操作簡單，因此在研究CNTS增強鎂基復合材料方面得到廣泛應用。但攪拌鑄造法在熔煉和澆鑄時，金屬鎂液容易氧化，CNTS均勻地分散到基體中也存在一定難度。

2 消失模鑄造法

消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型黏結組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在負壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。

周國華[5]等人就通過消失模鑄造法制備CNTs/ZM5鎂合金復合材料。將PVC母粒加入到二甲苯中溶解，把CNTs加入上述溶液中超聲分散10min后過濾、靜置20h，裝入發泡模具發泡成型，用線切割機加工制得消失模。把制得的含碳納米管的消失模具放入砂箱內，填滿砂并緊實，將自行配制的ZM5鎂合金熔體澆注制得復合材料。實驗結果表明，碳納米管對鎂合金有較強的增強效果，對ZM5合金的晶粒有明顯的細化作用。

3 粉末冶金法

粉末冶金法是把CNTS與鎂合金基體粉末進行機械混合，通過模壓等方法制坯，然后加入到合金兩相區進行燒結成型的一種成型工藝。粉末冶金法的優點在于合金成分體積分數可任意配比而且分布比較均勻，可以避免在鑄造過程中產生的成分偏析現象，而且由于燒結溫度是在合金兩相區進行，能夠避免由于高溫產生的氧化等問題。

沈金龍[6]等人采用粉末冶金的方法制備了多壁碳納米管增強鎂基復合材料。試驗采用CCl4作為分散劑將鎂粉和CNTS混合，在室溫下將混合粉末采用雙向壓制成型后進行真空燒結，制成碳納米/強鎂基復合材料。研究結果表明：碳納米管提高了復合材料的硬度和強度，鎂基復合材料的強化主要來自增強體的強化作用、細晶強化和析出強化。

Carreno-Morelli[7]等利用真空熱壓燒結粉末冶金法制備了碳納米管增強鎂基復合材料。研究發現，當CNTs含量為2%時，復合材料的彈性模量提高9%。

楊益利用利用粉末冶金法，制備了碳納米管增強鎂基復合材料，研究了碳納米管制備工藝和含量對復合材料組織和性能的影響。研究采用真空熱壓燒結技術，通過研究發現，在熱壓溫度為600℃、保壓時間20min、保壓壓力在20MPa、CNTS含量為1.0%時，制得的復合材料具有強度最高值。TEM分析CNTS與鎂基體結合良好，增強機理主要有復合強化、橋連強化和細晶強化。

4 熔體浸滲法

熔體浸滲法是先把增強相預制成形，然后將合金熔體傾入，在熔體的毛細現象作用下或者一定的壓力下使其浸滲到預制體間隙而達到復合化的目的。按施壓方式可以分為壓力浸滲、無壓浸摻和負壓浸滲三種。

Shimizu等采用無壓滲透的方法制備了碳納米管增強鎂基復合材料，隨后進行了熱擠壓，力學性能測試顯示，抗拉強度達到了388MPa、韌性提高了5%。

5 預制塊鑄造法

周國華等人采用碳納米管預制塊鑄造法制備了CNTS/AZ91鎂基復合材料。將AL粉、Zn粉、CNTs按比例混合分散后，用50目不銹鋼網篩過濾后在模具中壓制成預制塊。然后利用鐘罩將預制塊壓入鎂熔體并緩慢攪拌至預制塊完全溶解，采用真空吸鑄法制得復合材料試樣。研究結果表明，預制塊鑄造法能夠使CNTs均勻分散到鎂合金熔體中，復合材料的晶粒組織得到細化，力學性能明顯提高。

6 結語

近年來，CNTs在增強鎂基復合材料的研究越來越多，目前存在的主要問題是CNTs的分散和與基體界面的結合等問題。由于但碳納米管具有高的比表面能，使其在與其他材料的復合過程中易形成團聚，導致復合材料性能不甚理想，最終起不到納米增強相的效果，同時碳納米管屬輕質納米纖維，與各類金屬的比重相差太大，不易復合。目前有關碳納米管增強鎂基合金復合材料的研究還處于初期階段，隨著技術的不斷發展，新工藝和新方法不斷出現，CNTs的分散及與基體的界面結合等問題將逐漸被解決，開發出性能優異的CNTs/Mg基復合材料將有著重要的意義。

[1]張玉龍.先進復合材料制造技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2003

[2]周國華，曾效舒，袁秋紅.鑄造法制備CNTS/AM60鎂基復合材料的研究[J].鑄造，2009，58（1）：43-46.

[3]GohCS，WeiJ，etal.Ductilityimprovementandfatigue studiesinMg-CNTnano-composites[J].ComposSci.Techn，2008，68:1432.

[4]李四年，宋守志，余天慶等.鑄造法制備納米碳管增強鎂基復合材料[J].特種鑄造及有色合金，2005，25（5）：313-315.

[5]周國華，曾效舒，袁秋紅等.消失模鑄造法制備CNTS/ZM5鎂合金復合材料的研究[J].熱加工工藝，2008，37（9）：11-14.

[6]沈金龍，李四年，余天慶等.粉末冶金法制備鎂基復合材料的力學性能和增強機理研究[J].鑄造技術，2005，26（4）:309-312.

[7]Carreno-MorelliE，YangJ，etal.Carbonnanotube/magnesiumcomposites[J].PhysStatusSolidiA，2004，201（8）:53.

[8]楊益.碳納米管增強鎂基復合材料的制備與性能研究[D].北京：國防科學技術大學碩士論文，2006.

TB331

A

1671-0037（2014）01-66-1.5

2013年12月12日。

鄭州市科技攻關項目（20130839），黃河科技學院大學生創新創業實踐訓練計劃項目（2013XSCX025）。

楊林沖（1991-），本科生，黃河科技學院工學院。

張保豐（1979-），副教授，研究方向：新材料加工及制備技術。