一种制备层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料方法与流程

本发明属于镁基复合材料技术领域；具体涉及一种制备层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料方法。

背景技术：

着科技的发展和工业的进步，对材料提出了更高的要求。除了满足基本需求外，还要有优异的综合性能。

镁作为最轻的结构材料，具有高比强度、比刚度，广泛应用于航空航天。碳纳米管强度高达3Tpa，但同时具有低密度轻量化的特点，是一种理想的金属材料增强体。

但纯镁的强度低、塑性较差，并且在提高强度的同时往往塑性会大幅下降。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种制备层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料方法，以解决纯镁基体强度和塑性无法兼顾的问题；相比纯镁基体，本发明所述符合材料的力学性能有较大提升，在提高强度的同时能保持材料的延伸率。

为解决上述技术问题，本发明的一种制备层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料方法是由下述步骤完成的：

步骤一、去除镁箔表面氧化物作阴极，以不锈钢板为阳极，将阴极和阳极一起浸入电泳液中进行电泳沉积，然后烘干，得到碳纳米管/镁层状基元；

步骤二、将步骤一获得的碳纳米管/镁层状基元层层堆叠，再真空热压烧结，得到层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料；

其中，步骤一所述电泳液是将碳纳米管粉末、无水硝酸铝和无水乙醇制成的。

进一步地限定，步骤一电泳液是按每500ml无水乙醇加入0.5g～2g碳纳米管粉末和0.5g～2g无水硝酸铝配比制成的；所述电泳液是按下述操作进行的：将碳纳米管粉末和无水硝酸铝加入无水乙醇中，磁力搅拌1h，再超声震荡2h，得到电泳液。

进一步地限定，步骤一中在10V～30V的恒定电压条件下电泳沉积30s～300s。

进一步地限定，步骤二中在500℃～630℃、30Mpa～55Mpa的压力下真空热压烧结，烧结时间2h～7h。

进一步地限定，步骤二中将至少20片步骤一获得的碳纳米管/镁层状基元进行层层堆叠。

本发明以碳纳米管为增强体，纯镁为基体，通过电泳沉积与层层堆叠的方法，制备了具有层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料，使得材料的屈服强度由83Mpa提高至124Mpa，提高了50.6％，而延伸率仅仅由4.5％降低至3.8％，起到了提高强度而不降低塑性的效果。

本发明方法工艺简单，便于操作，且镁是一种可再生资源，该方法环境友好，本方法能有效提高镁的力学性能，是一种简单高效的方法。

本发明所述材料可应用于航空航天，例如用作飞机座椅等对强度要求不高，但又需要尽可能减轻重量的结构件。

附图说明

图1是具体实施方式一方法制备的电泳沉积碳纳米管后的镁箔的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图2是具体实施方式一方法制备的复合材料层间界面的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图3是具体实施方式一方法制备的复合材料层间界面的透射电子显微镜(TEM)照片；

图4是具体实施方式一方法制备的复合材料与纯镁基体的拉伸试验的力学性能对比；

图5是层状结构增加材料韧性的机理图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种制备层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料方法是由下述步骤完成的：

步骤一、将镁箔在预磨机上用2000#砂纸进行打磨，去除镁箔表面氧化物作阴极，以不锈钢板为阳极，将阴极和阳极一起浸入电泳液中，在20V的恒定电压条件下进行电泳沉积90s，电泳沉积过程中碳纳米管吸附Al³⁺后带有正电荷，在电场的作用下向镁箔定向移动，进而沉积在镁箔上，然后置于真空干燥箱中，在80℃条件下烘干，得到碳纳米管/镁层状基元；

步骤二、将50片步骤一获得的碳纳米管/镁层状基元层层堆叠，再在580℃、40Mpa的压力下真空热压烧结2h，得到层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料；

其中，步骤一所述电泳液是制成的：按每500ml无水乙醇加入0.5g碳纳米管粉末和0.5g无水硝酸铝配比将碳纳米管粉末和无水硝酸铝加入无水乙醇中，磁力搅拌1h，再超声震荡2h，得到电泳液。

由图1可知，经过电泳沉积的过程，碳纳米管均匀分散于镁箔表面，无团聚现象，证明该电泳沉积方法是一种有效的将碳纳米管与金属相结合的方法。

由图2可知，经过热压烧结之后，层状基元之间结合良好，且烧结成块体之后仍能保持其层状结构的特征。

由图3可知，在十七万倍的放大倍数下，仍然没有发现碳纳米管与金属镁之间有明显孔隙，证明层状堆叠后热压烧结的方法有效的使层状基元之间实现了结合，且结合效果十分理想。

采用下述试验验证发明效果：

分别对同样条件下烧结的纯镁基体以及复合材料，按照国家标准切割成矩形试样，通过电子万能试验机进行拉伸性能的测试，结果如图4所示。

由图4可知，材料的屈服强度由83Mpa提高至124Mpa，提高了50.6％，而延伸率仅仅由4.5％降低至3.8％，因而证明该层状结构起到了提高强度而不降低塑性的效果。

由图5可知，在层状结构的材料中，裂纹在扩展的过程中，并不是直线扩展的，当裂纹在层间碰到硬质材料纳米管时，其扩展的方向会发生偏转，在多次偏转的过程中增加了裂纹扩展所需要的路径，从而消耗更多的能量，提高材料的韧性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中在500℃、55Mpa的压力下真空热压烧结，烧结时间7h。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中在630℃、30Mpa的压力下真空热压烧结，烧结时间5h。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。