一种提高碳纳米管增强镁基复合材料力学性能的方法与流程

本发明涉及一种提高碳纳米管增强镁基复合材料力学性能的方法，属于金属基复合材料制备技术领域。

背景技术：

自日本科学家发现碳纳米管(CNTs)以来，由于其长径比极高，杨氏模量和剪切模量较大，因此碳纳米管具有很高的比强度和比刚度，同时其又具有极高的抗拉强度和弹性模量、极小的密度和良好的化学稳定性，非常适合作为金属基复合材料的增强相，制备碳纳米管增强金属基复合材料。

在镁基体金属材料中加入性能优异的碳纳米管，可以提高镁基体合金的抗拉强度、伸长率等，但是碳纳米管具有非常大的比表面积和极高的长径比，存在较强的范德华力，使得碳纳米管之间团聚和缠绕现象严重，另外碳纳米管与镁合金基体的润湿性差，造成碳纳米管与镁基体界面结合强度弱，而弱的界面结合强度会严重破坏复合材料的性能，因此，碳纳米管在镁基体复合材料中的分散程度和碳纳米管在镁合金基体中界面结合情况，成为制约碳纳米管增强镁基复合材料性能的关键因素。

已有研究人员对碳纳米管增强金属基复合材料的界面结合做过相关报道，比如，利用SPS+热挤压工艺制备碳纳米管增强铝基复合材料，界面处形成Al₄C₃提高界面结合强度，进而提高碳纳米管在复合材料中的增强效应(Adv.Eng.Mater.2014,16(8):972-975)；利用搅拌摩擦加工(FSP)工艺制备镀镍碳纳米管增强AZ80复合材料，通过固溶+时效工艺来提高碳纳米管增强镁基复合材料的机械性能(Rare Metal Mater.Eng.2015,44(4):989-994)。

综上，现有多种制备碳纳米管增强镁基复合材料的方法，均未对碳纳米管与镁基体界面结合差的问题提出解决措施，制备的复合材料强度提高不明显，且制备过程较复杂，容易引起镁合金的氧化，带入杂质形成复合材料的夹杂影响材料的性能，也不利于工业化批量生产。因此，如何通过简单有效的方法来提高碳纳米管增强镁基复合材料的力学性能，是当前该研究领域的主要研究内容。

技术实现要素：

本发明的技术目的是针对当前碳纳米管增强镁基复合材料力学性能提高不显著的问题，提供一种简便有效的处理手段来提高复合材料的力学性能。该方法通过热处理等一系列工艺流程，提高碳纳米管增强镁基复合材料的力学性能。该方法可批量生产、工艺方法简便、碳纳米管与基体界面结合良好、污染小环境友好等优点，在航空航天、军工产品、汽车、3C等对碳纳米管增强镁基复合材料有需求的领域有广阔的应用前景。

一种提高碳纳米管增强镁基复合材料力学性能的方法，是通过以下技术方案实现的。将制得的碳纳米管增强镁基复合材料放入热处理炉中，通入氩气与氢气的混合气体进行保护，加热进行热处理，然后随炉冷却、空气冷却或在水中淬火处理，从而提高碳纳米管增强镁基复合材料的力学性能。

加热进行热处理时，优选：加热至450℃～630℃，保温0.5h～120h。进一步在加热的过程中升温速率可以一致，也可以采用不同的升温速率。

碳纳米管增强镁基复合材料优选为碳纳米管增强镁基材料、镍包覆碳纳米管增强镁基材料(指的是镍包覆碳纳米管)，其中的镁基材料优选自纯镁、镁合金，如铝镁合金。

碳纳米管含量优选占整个碳纳米管增强镁基复合材料的0.1-5.0wt％。

氩气和氢气的混合气体中氢气所占比例为：0～25vol.％。

本发明所用的制备方法具有如下优点：整个制备过程简单，流程短，可解决碳纳米管与镁基体润湿性差的问题，通过形成界面产物来提高碳纳米管与镁基体界面结合强度，最终制得机械性能明显提高的、碳纳米管与镁合金基体界面结合良好的碳纳米管增强镁基复合材料，此种方法为提高复合材料机械强度提供了一个全新的、便捷有效的、切实可行的热处理工艺方法，并可以有效的解决界面结合差的问题，具有广泛的应用前景。

附图说明：

图1为实施例1中制备的复合材料中碳纳米管与镁基体的界面结合情况。

图2为实施例1中制备的碳纳米管增强Mg-Al基复合材料应力-应变曲线。

图3为实施例2中制备的镍包覆碳纳米管增强纯镁基复合材料应力-应变曲线。

具体实施方式：

以下结合具体的实施案例进一步说明本发明，指出的是：下面实施案例只用于说明本发明的具体实施方法，并不能限制本发明权利保护范围。

实施案例1：

本实施方式制备的提高碳纳米管增强Mg-Al系复合材料力学性能的工艺按以下步骤进行，将制得的含1.0wt.％CNTs的碳纳米管增强AZ91(成分为9.02wt.％Al、0.65wt.％Zn、0.22wt.％Mn、0.05wt.％Si、余量为Mg)复合材料块体放入热处理炉内，通入氩气与氢气的混合气体进行保护(氢气所占比例为：0vol.％)保护气体，首先设定升温速率为10K/min升温至500℃，然后再调整升温速率为5K/min升温至630℃，保温5h后，随炉冷却至室温，得到性能显著提高的碳纳米管增强AZ91复合材料。

实施案例2：

本实施方式制备的提高碳纳米管增强纯镁基复合材料力学性能的工艺按以下步骤进行，将制得的含0.1wt.％和0.3wt.％CNTs的镍包覆碳纳米管增强纯镁复合材料块体放入热处理炉内，通入氩气与氢气的混合保护气体(氢气所占的比例为：25vol.％)，设定升温速率为10K/min，升温至450℃，保温0.5h后，取出后空气中冷却至室温，得到力学性能提高的碳纳米管增强纯镁复合材料。

实施案例3：

本实施方式制备的提高碳纳米管增强Mg-Al系复合材料力学性能的工艺按以下步骤进行，将制得的含5.0wt.％CNTs的碳纳米管增强AZ31(成分为3.10wt.％Al、1.10wt.％Zn、0.30wt.％Mn、0.01wt.％Si、余量为Mg)复合材料块体放入热处理炉内，通入纯氩与氢气的混合保护气体(氢气所占的比例为：10vol.％)保护气体，设定升温速率为10K/min升温至500℃，保温120h后，取出放入水中淬火至室温，得到力学性能提高的碳纳米管增强AZ31复合材料。

实施案例4：

本实施方式制备的提高碳纳米管增强Mg-Al系复合材料力学性能的工艺按以下步骤进行，将制得的含2.0wt.％CNTs的镍包覆碳纳米管增强AZ61(成分为5.80wt.％Al、0.82wt.％Zn、0.335wt.％Mn、0.05wt.％Si、余量为Mg)复合材料块体放入热处理炉内，通入氩气与氢气的混合保护气体(氢气所占的比例为：20vol.％)，设定升温速率为10K/min升温至550℃，保温24h后，取出后空气中冷却至室温，得到力学性能显著提高的碳纳米管增强AZ61复合材料。

尽管这里已详细列出并说明了优选实施案例，但本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种改进、添加、替换等方式，这些内容都被认定为属于权利要求所限定的本发明的范围之内。