碳納米管鎂基復合材料應用現狀與發展前景

□潘 強□陳廣軍 □潘會平 □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中國石油蘭州石化公司 石油化工廠 蘭州 730060

1 鎂基復合材料概述

鎂基復合材料受到航空航天、汽車、機械及電子等領域的重視，在新型高新技術應用領域比傳統單一金屬和鋁基復合材料有更大的市場應用潛力與價值[1]。復合材料是隨現代科學技術發展而涌現出的一類新材料，20世紀70年代以來，鎂基復合材料已經成為金屬基復合材料領域的重要研究熱點[2]。

鎂合金是最輕的結構材料之一。鎂及鎂基材料由于具有一些特殊性能，如密度低、比強度和比剛度高、減振性好、電磁屏蔽性能優異、切削加工性和熱成形性優良等，在移動通信設備、便攜式計算機等產品的殼體結構件，以及汽車、電子、電器、航空航天、國防軍工、交通等領域都具有重要的應用價值和廣闊的應用前景[3]。

2 鎂基復合材料的發展前景

隨著金屬合金研究熱潮的不斷推進，加之人們對碳納米管優良物理化學性能的認識，人們開始嘗試將碳納米管引入金屬基復合材料中，期望利用碳納米管的特性對金屬基體性能進行強化。目前，諸多文獻已提到用碳納米管來強化鋁、銅、鎳等金屬基體[4]。在鎂基體中添加碳納米管作為增強體，以不增大鎂合金質量分數為前提，能有效改善鎂合金線性膨脹熱穩定性，提高合金抗拉強度。但由于鎂本身的化學性質較活潑，很容易在制備過程中發生化學反應，因此對于以鎂或鎂合金作為基體的復合材料而言，應嚴格控制制備過程中的工藝參數，防止在界面處產生不良反應。目前，鎂基復合材料的制備工藝還有待改進和完善，對于其復合機制、界面處強化機制等的研究還不完善[5]，因此，對碳納米管鎂基復合材料的研究將是一個新的研究方向。

3 鎂基復合材料研究現狀

金屬鎂呈銀白色，熔點為649℃，質量輕，密度為1.74 g/cm3，化學活性強，與氧的親合力大，常用作還原劑。粉狀或細條狀的鎂，在空氣中很容易燃燒，燃燒時發出眩目的白光，且極易溶解于有機和無機酸中。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，質軟，熔點較低。

鎂基復合材料的主要特點是密度低、比強度和比剛度高，具有耐磨、耐高溫、耐沖擊、尺寸穩定、易鑄造、減振性好和電磁屏蔽優良等性能。由于鎂基復合材料具有熔點低、化學活性強、易燃、易氧化等特點，有關適合鎂基復合材料的制備工藝一直是人們研究和解決的熱點。因為鎂的熔點接近于鋁的熔點，所以很多鎂基復合材料的制備方法都是在鋁基復合材料研究的基礎上進行推廣和改進的。傳統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、重熔稀釋法和反復塑性變形法等[6]。近年來，由于準晶、碳纖維和石墨烯等新型增強體研究取得了較大進展，增強體與鎂及鎂合金之間的界面潤濕性問題也通過不斷研究被逐步解決，這為鎂基復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鎂基復合材料，并對其界面結構進行了研究，發現氧化銅涂覆可以改善界面處的結合強度，材料的抗拉強度和斷后伸長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，進而制備得到了二氧化硅涂覆碳纖維增強鎂基復合材料，通過分析發現，雖然復合材料的極限拉伸強度值只有527 MPa，遠遠偏離了理論值，但是碳纖維表面的二氧化硅涂層可明顯促進液態鎂對碳纖維的潤濕。另一方面，研究人員通過液態超聲結合固態攪拌的方法，成功制備出了塊體石墨烯顆粒增強鎂基復合材料[10]。石墨烯在基體中分布均勻，復合材料的性能強化明顯，1.2%石墨烯復合材料的顯微硬度可達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 基本結構

碳納米管是一種具有完整分子結構的新型碳結構，由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管，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，六邊形結構連接完美，具有許多優良的力學、電學和化學特性。近年來，隨著人們對碳納米管的研究深入，其廣闊的應用前景也不斷展現出來[11-12]。

4.2 性能

（1）力學性能。強度高，韌性好，伸長率大，密度低，是理想的增強體。

（2）熱學性能。理論導熱率為6 600 W/（m·K），在試驗過程中可達3 215 W/（m·K）。

（3）電學性能。具有接近金屬的電導率，可以成為半導體的上佳材料。

（4）磁學性能。吸波性能顯著，頻帶寬。

5 碳納米管鎂基復合材料研究現狀

碳納米管作為增強相對鎂或鎂合金進行改性，所得到的鎂基復合材料具有強度高、耐腐蝕性強和耐磨性好等優點。碳納米管鎂基復合材料已經在很多領域得到了廣泛應用。使用攪拌鑄造法選用鍍鎳多壁碳納米管制備鎂基復合材料，在其凝固過程中確認碳納米管成為非均結晶體的晶核，可以對晶粒起到細化作用，同時能提高碳納米管與基體的結合度，復合材料的彈性模量和抗拉強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AZ91D鎂基復合材料，當碳納米管加入量（質量百分比）為1.0%時，復合材料的抗拉強度達到388 MPa[15]。由此可見，碳納米管鎂基復合材料不僅可以細化晶粒，提高力學性能，而且能夠提高抗腐蝕性能。

6 制備碳納米管鎂基復合材料存在的問題

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

7 未來研究發展

目前，對碳納米管鎂基復合材料的研究已經取得很多成果，今后將主要在以下幾個方面對其加強研究。

（1）對碳納米管和鎂基復合材料的熱力學及動力學進行計算機模擬技術研究，可以在為生產帶來方便和效益的同時，為更多科研工作者提供研究平臺。

（2）深入研究碳納米和鎂基復合材料的界面行為，以獲得界面良好的復合材料。

（3）開展對制備工藝、復合材料再生與回收技術，以及材料內部結構性能等各個領域的研究與應用探索。

（4）利用材料優良的物理、化學性能，不斷拓展應用空間。

[1] 豆鵬飛.碳納米管/陶瓷復合材料的應用研究現狀[J].上海建材，2016（5）:15-17.

[2] 陳亞光，蔡曉蘭，王開軍，等.碳納米管增強鎂基復合材料的研究現狀及發展[J].材料導報，2012，26（S2）:110-112.

[3]石剛.鎳包覆碳納米管及其增強鎂基復合材料的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[4]郭鐵波，楊慶祥.碳納米管復合材料的研究應用現狀與展望[J].燕山大學學報，2006，30（1）:30-33.

[5]周國華.碳納米管/AZ31鎂基復合材料的制備與等徑角擠壓研究[D].南昌：南昌大學，2010.

[6] 李維學.碳納米管/鎂基復合材料的制備與物性研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2009.

[7]李靜.硼摻雜碳納米管的制備及其在鎂基復合材料中的應用[D].天津：天津大學，2011.

[8] 韓麗，金培鵬，陳善華，等.CuO涂覆Mg2B2O5晶須增強鎂基復合材料界面結構研究[J].稀有金屬材料與工程，2013，42（6）：1221-1225.

[9] 李坤，裴志亮，宮駿，等.碳纖維表面SiO2涂層的制備及其在鎂基復合材料中的應用[J].金屬學報，2007，43（12）：1282-1286.

[10]陳瑞強.石墨烯增強鎂基復合材料的制備及性能研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2016.

[11]戚道華.CNTs/ZM5鎂合金復合材料的制備與機械性能研究[D].南昌：南昌大學，2007.

[12]辜萍，王宇，李廣海.碳納米管的力學性能及碳納米管復合材料研究[J].力學進展，2002，32（4）：563-578.

[13]袁秋紅.碳納米管增強AM60鎂基復合材料的研究[D].南昌：南昌大學，2008.

[14]景春明，許敬月，潘強，等.碳納米管增強鎂基復合材料機械性能及組織研究[J].裝備機械，2017（3）：19-24.

[15]吳集才.壓鑄AZ91鎂合金/碳納米管復合材料性能研究[D].南昌：南昌大學，2011.