一种增强镁基复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明的技术方案涉及通过把纤维或细丝与熔融金属接触制造含有非金属纤维或细丝的合金，具体地说是一种增强镁基复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]镁基复合材料是以镁或镁合金为基体材料，以颗粒、晶须或纤维为增强相的一种金属基复合材料。镁基复合材料继承了纯镁密度低、减振性好、阻尼性和切削性好的优点，克服了纯镁硬度低和化学性质不稳定的缺点，具有热稳定性好、高比模量和高比刚度的优异性能。因此，作为一种综合性能优异的新型金属基复合材料，镁基复合材料在航空航天、通讯设备、机械制造以及汽车工业等高新技术领域中有巨大的应用前景。但是，随着制造业的迅猛发展，各应用领域对镁基复合材料的性能提出了更高要求;同时，镁基复合材料的制备技术仍存在一些有待解决的问题，例如，难以实现纳米增强相在镁基复合材料中的均匀分散，增强相易与化学性质活泼的镁基体发生不良界面反应形成脆性界面反应层，这些问题导致了镁基复合材料仍存在抗拉强度相对较低、热膨胀系数高及尺寸稳定性差的性能缺陷。因此，研发镁基复合材料的创新制备技术，实现增强相弥散分布，改善增强相与镁基体的界面结合效果都成为近年来镁基复合材料研究的热点。
[0003]自发现碳纳米管以来，碳纳米管一直是国际新材料领域研究的前沿及热点。碳纳米管不仅具有轻质特性，而且具有极高的弹性模量和弯曲强度，将其作为镁或镁合金为基体材料的增强相能够在保持镁基复合材料轻质特性的同时，改善镁基体的物理和力学性能，因此是镁基复合材料的理想增强材料。关于碳纳米管增强镁基复合材料研究的现有技术也被报道。CN102676859A报道了一种原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，采用Co/Mg催化剂、化学气相沉积法在镁基体上生长碳纳米管，短时球磨后，经过压制成型、烧结、热挤压得到原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料。CN102206793B报道了一种碳纳米管-氧化铝复合增强镁基复合材料的制备方法，将氧化铝和硝酸铁原材料加入到去离子水中，经干燥脱水、煅烧后获得氧化铁/氧化铝催化剂前躯体，经化学气相沉积反应制得碳纳米管-氧化铝复合增强相，并采用搅拌铸造法制得碳纳米管-氧化铝复合增强镁基复合材料。上述现有的增强镁基复合材料的制备方法，普遍存在的缺陷是:制备过程中碳纳米管的合成效果不佳，发生了结构破坏，增强效果降低;增强相在镁基体中分布不均，且与镁基体材料发生了不良界面反应，镁基体存在氧化问题;碳纳米管-氧化铝复合增强相的结构设计不佳，不适合作为镁基复合材料的增强相，所制得的镁基复合材料的力学性能不理想。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供一种增强镁基复合材料的制备方法，是一种通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，在液相机械搅拌混合基础上，通过放电等离子体烧结工艺制备碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的方法，克服了现有的增强镁基复合材料的制备方法所存在的碳纳米管合成效果不佳、易发生结构破坏和增强效果差，增强相在镁基体中分布不均，增强相-镁基体易发生不良界面反应，碳纳米管-氧化铝复合增强相结构设计不佳，不适合作为镁基复合材料的增强相，所制得的镁基复合材料的力学性能不理想的诸多缺陷。
[0005]本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:一种增强镁基复合材料的制备方法，是一种通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，在液相机械搅拌混合基础上，通过放电等离子体烧结工艺制备碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的方法，具体步骤如下:
[0006]第一步，碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的制备:
[0007]将乙酸镍加入到乙苯中，确保乙酸镍在乙苯中的浓度为0.2?1.0g/mL，使用磁力搅拌机以350?650r/min的转速对上述液体进行搅拌5?20min，使乙酸镍在乙苯中充分溶解制得乙酸镍的乙苯溶液，将所需量的粒径为20?10nm的纳米碳化硅颗粒置于石英方舟中，将该石英方舟置于水平管式炉恒温区，封闭该管式炉后通过真空栗使石英方舟所在处的真空度达到-0.1?_0.05MPa，而后以550?1000mL/min的流速向该管式炉中通入氢气，同时以400?1000mL/min的流速向该管式炉中通入氩气，并将该管式炉升温至700?1100°C，待温度恒定后关闭氩气，然后通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管，即以0.1?3mL/min的速度向管式炉中通入上述制得的乙酸镍的乙苯溶液，保证碳化硅与乙酸镍的质量比为1.8?11.2:1，同时通入流速为100?600111171^11氢气和流速为5?60111171^11丙稀的混合气体并保持20?60min，所通入的乙酸镍的乙苯溶液中的乙酸镍催化剂受热变成蒸气后，均匀分布在纳米碳化硅颗粒周围的反应气氛中并被置于石英方舟中的所有纳米碳化硅颗粒表面所吸附，进而在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，之后停止通入乙酸镍的乙苯溶液和丙稀，并调节氢气流速至45?200mL/min，使管式炉在氢气气氛下冷至室温，在石英方舟中制得具有纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管结构的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，该复合增强相中碳纳米管的质量百分比含量为4.7?32.5%;
[0008]第二步，碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末的制备:
[0009]取5?30g第一步制得的碳纳米管-碳化娃原位复合增强相放入100?400mL丙酮中形成悬浊液，再将100?400目的镁粉加入到上述悬浊液中，保证碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉的质量比为0.005?0.2:1，在机械搅拌机上以300?550r/min的转速搅拌上述混合物15?55min，而后将该混合物在温度为45?95°C和真空度为-0.1?-0.05MPa的真空干燥箱中烘干，得到碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末；
[0010]第三步，碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的制备:
[0011]将第二步制得的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末放入石墨模具中，将该石墨模具放入放电等离子体烧结装置中，对该烧结装置腔体抽真空至-1OPa以下，而后以50?250mL/min的流速通入氩气，并对上述石墨模具中的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末施加20?50MPa的压力，通过控制放电等离子体烧结工艺过程中的电流使石墨模具以45?125°C/min的升温速度升至烧结温度660?900°C，并保持该烧结温度I?9min，在上述升温和保温阶段，保持氩气流量和施加压力恒定，保温阶段结束后，使上述石墨模具在氩气氛围下冷却至室温，制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，该镁基复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.023?5.417%,碳化硅的质量百分含量为0.336?15.883 %。
[0012]上述一种增强镁基复合材料的制备方法，所述在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，该碳纳米管的平均长度为480?520nm。
[0013]上述一种增强镁基复合材料的制备方法，所涉及的原材料均通过商购获得，所用的设备和工艺均是本技术领域的技术人员所熟知的。
[0014]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明方法所具有突出的实质性特点和显著进步如下:
[0015](I)本发明方法的实质是以纳米碳化硅为碳纳米管合成和输运的载体，实现碳纳米管增强相在镁基体中的弥散分布，利用碳化硅、碳纳米管与镁基体的弥散强化和载荷传递效果来增强镁基复合材料。本发明方法以纳米碳化硅颗粒、乙苯和乙酸镍为原材料，通过浮动催化法利用乙酸镍催化剂前躯体在氢气和丙烯气氛下，制得碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，在丙酮中将碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉混合后，通过放电等离子体烧结工艺制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料。本发明方法的创新点在于:I)以物理和化学性质均稳定，同时也是镁基体良好增强相的纳米碳化硅为碳纳米管合成载体，采用浮动催化法制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，既保证了碳纳米管良好的石墨化程度，又通过碳化硅颗粒实现碳纳米管的均匀分散;2)通过放电等离子体烧结工艺制备了碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，保证了碳纳米管的结构完整性、与镁基体良好的界面结合和优异增强效果的发挥，实现了碳纳米管-碳化硅原位复合增强