专利名称：镁基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料及其制备方法，尤其涉及一种镁基复合材料及 其制备方法。
背景技术：
镁合金是现代结构金属材料中最轻的一种，纯镁的密度约为1.74克每 立方厘米，为铝密度的2/3,钢密度的1/4。镁合金的优点是密度小，比强度、 比钢度高，减震性好，同时还具有优良的铸造性能、切削加工性能、导热性 能和电磁屏蔽性能，被广泛应用于汽车制造业、航空、航天、光学仪器制造 和国防等领域。
根据成形工艺及合金元素的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金和变 形镁合金两大类。变形镁合金通过在合金中加入有利于提高其形变特性的元 素，挤压、轧制、锻造的方法固态成形，通过变形生产尺寸多样的板、棒、 管、型材及锻件产品。由于变形加工消除了铸造组织缺陷及细化了晶粒，故 与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更好的力 学性能，同时生产成本更低。
但是，现有技术中制备的镁合金的韧性及强度均不能达到工业上的要 求。为了解决这一问题， 一般采用向镁合金中加入纳米级增强体的方式提高 材料的强度和韌性(Goh C.S., Wei J,, Lee L.C., Gupta M.， Nanotechnology, vol 17,p7(2006))。然而，现有技术中制备镁基复合材料一般采用铸造方法，如 粉末冶金、熔体渗透、搅拌铸造，等。以上述这些方法形成的镁基复合材料 一般为铸锭形式，并且纳米级增强体在其中均匀分布。在后续加工中需要通 过挤压、轧制、锻造等方法制成所需型材。并且，在镁合金熔融状态中分散 纳米级增强体容易引起纳米级增强体的团聚，造成分散不均匀；使用粉末冶 金方法虽然可以使这一 问题相对改善，但是粉末冶金法在生产过程中存在金 属粉末燃烧、爆炸等危险。另外，这些方法制备工艺均相对复杂、设备成本 高、不易大规模工业化生产。
有鉴于此，提供一种纳米级增强体在镁基金属中均匀分布的镁基复合材 料及一种简单易行、适合工业化生产的镁基复合材料的制备方法实为必要。
发明内容
以下将以实施例说明 一种纳米级增强体在镁基中均匀分布的镁基复合 材料及一种工序简单、适合工业化生产的镁基复合材料的制备方法。
一种镁基复合材料由镁基金属与分布于该镁基金属中的纳米级增强体 组成，所述镁基复合材料为多层结构，该多层结构由至少两层镁基金属层与 至少一层镁基复合层交替排布，并且镁基复合层位于镁基金属层之间。 一种
镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤提供第一镁基板、第二镁基板和 多个纳米级增强体；将所述多个纳米级增强体均匀固定于该第一镁基板表 面；将第二镁基板覆盖于该纳米级增强体上，以形成一预制体；以及将预制 体热压，形成镁基复合材料。
与现有技术相比较，所述的镁基复合材料采用将纳米级增强体直接均匀 固定于镁基体的表面，通过热压的方式将纳米级增强体与镁基体形成镁基复 合层并设置于镁基金属层之间，其中纳米级增强体在镁基中呈均匀的层状分 布，进而提高该复合材料的强度和韧性；而且，利用多层镁基板与均匀分散 有纳米级增强体的镁基复合层进行层叠，可以生产出不同厚度，包含多层镁 基复合层的板带材，镁基复合层层数越多，在镁基复合材料中增强增韧的效 果越明显；另外，此过程工艺简单、易操作、可以实现生产过程连续化和批 量生产，适合工业化生产的要求。
图1是本技术方案镁基复合材料的制备方法的流程示意图。 图2是本技术方案第一实施例镁基复合材料预制体示意图。 图3是本技术方案第 一 实施例对镁基复合材料预制体进行热压过程的示 意图。
图4是本技术方案第一实施例所制备的镁基复合材料示意图。 图5是本技术方案第二实施例所制备的镁基复合材料示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图及具体实施例，对本技术方案提供的一种镁基复合材料 及其制备方法作进一步的详细说明。
镁基复合材料的制备方法如图1所示，其第 一 实施例具体包括以下步骤
(一) 提供第一镁基板、第二镁基板和多个纳米级增强体。
如图2所示，本实施方式所提供之第一镁基板和第二镁基板可以是纯镁 板或镁合金板。当所提供之镁基板为镁合金板时，该镁合金板的组成元素除 镁外，还含有锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙等合金元素的一种或多种， 其中镁元素占镁合金板总质量百分比80%以上，其它元素占镁合金板总质量 百分比20%以下。并且，该第一镁基板与第二4美基板可以具有相同的元素组 成，也可以具有不同的元素组成。镁基板厚度为0.1毫米(mm)至lmm,优选 为0.3mm。将第一镁基板和第二镁基板在金属板材裁剪机上裁剪出一相同的 尺寸。
该纳米级增强体可以是碳纳米管(CNTs)、碳化硅(SiC)纳米颗粒、氧化铝 (八1203)纳米颗粒及碳化钛(TiC)纳米颗粒等以及它们的混合体。本实施例中采 用化学气相沉积法制备的碳纳米管粉末作为纳米级增强体。纳米级增强体直 径在1纳米(nm)至100nm之间，优选为10nm至50nm。纳米级增强体质量 为镁基复合材料总质量的0.5%至2%，优选为1%。
(二) 将多个纳米级增强体均匀固定于第一镁基板表面。 请参阅图2，将纳米级增强体130均匀固定于第一镁基板110表面。固
定纳米级增强体130的方法可以采用在第一镁基板110表面涂覆粘结剂层 120的方式，将纳米级增强体130铺设在附有粘结剂层120的第一镁基板110 上。如果采用碳纳米管作为纳米级增强体130，也可以将碳纳米管直接生长 于第一镁基板IIO表面。本实施例中采用将第一镁基板IIO—表面均匀涂覆 粘结剂层120的方式，将纳米级增强体130均匀铺设于附有粘结剂层120的 镁基板IIO表面。铺设方式为将纳米级增强体130均匀的洒在粘结剂层120 上。该粘结剂层120的材料具有在低温下具有粘性，在高温下易挥发的性质， 本实施例中粘结剂层120材料优选为亚敏胶。
(三) 将第二镁基板覆盖于上述纳米级增强体上，以形成一预制体。 如图2所示，将通过粘结剂层120固定于第一镁基板IIO表面的纳米级
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增强体130上覆盖一第二镁基板140，以形成一预制体100。该预制体100 由第一镁基板110与第二镁基板140及纳米级增强体130组成，并且该纳米 级增强体130通过第一镁基板IIO表面上的粘结剂层120固定于第一镁基板 IIO与第二镁基板140之间。
(四) 对预制体进行热压。
本实施例为在一热压机200中对预制体IOO进行热压。如图3所示，热 压冲几200包括一上压板210, —下压板220, —才莫腔230。此才莫腔230可以抽 成真空或通入惰性气体。将预制体100装入热压机200的模腔230内，置于 上压斧反210与下压板220之间，使4美基板110与上压板210贴合，4美基4反140 与下压板220贴合。将热压机200的模腔230内抽成真空或通入惰性气体。 在高温下，热压机200上下压板对预制体IOO施加一压力，以进行热压。保 持该温度及压力一段时间后，将压力降至常压。将经过热压后的产物放置于 空气中冷却至室温。具体热压条件为温度范围300。C至400。C，压强范围 50至100MPa,保温保压时间5至15小时。通过此热压过程，镁基金属渗 入纳米级增强体间隙中，与纳米级增强体复合，形成一复合层，通过此镁基
复合层将该复合层两侧的镁合金板结合为一个整体。
(五) 对热压后的产物进行退火处理，得到镁基复合材料。
该退火处理是在高真空加热炉中进行的。退火温度为18(TC至320。C， 退火时间为2至3小时。将热压后的产物在高真空加热炉中进行退后处理后， 即得到镁基复合材料300。通过将热压后的产物进行退货处理，可以清除热 压时在镁基板内产生的内应力。
本实施例所得到的镁基复合材料300如图4所示。镁基体渗入纳米级增 强体130间隙中，与纳米级增强体130复合，形成一镁基复合层330，在镁 基复合材料300中通过该镁基复合层330将第一镁基板110与第二镁基板 120结合为一整体。可以发现，此镁基复合材料300包含三层结构，第一镁 基金属层310、第二镁基金属层320、镁基复合层330。 4美基复合层330位于 第一镁基金属层310与第二镁基金属层320之间。第一镁基金属310与第二 镁基金属层320厚度为0.2至0.4mm,镁基复合层330厚度为lnm至100nm。
可以理解，纳米级增强体130是通过均匀铺洒于粘结剂层120上，或通 过直接生长于第一镁基板110表面的方式铺设，并在该纳米级增强体130上
覆盖第二镁基板140后直接热压，此种方法比在熔融态镁基金属中加入碳纳 米管更易于使碳纳米管在基体中分布均匀。另外，将纳米级增强体130分布 于镁基复合层330中比将纳米级增强体130分布于整个镁基复合材料中更易 于实施。
如图5所示，本技术方案第二实施例提供了一种具有五层结构的镁基复 合材料400，其包含第一镁基金属层410、第二镁基金属层420、第三镁基金 属层430,及第一镁基复合层440、第二镁基复合层450，镁基金属层与镁基 复合层交替排列，每一镁基复合层位于两镁基金属层之间，并且，纳米级增 强体在镁基复合层中均匀分布。镁基金属层厚度为0.2至0.4mm,镁基复合 层厚度为lnm至100nm。
此镁基复合材料制备方法与第 一 实施例基本相同。与第 一 实施例不同的 是，所述预制体的形成过程进一步包括以下步骤提供第一镁基板、第二镁 基板、第三镁基板和多个纳米级增强体；将所述多个纳米级增强体均匀固定 于该第一镁基板表面；将第二镁基板覆盖于该纳米级增强体上；在所述第二 镁基板远离第 一镁基板的表面均匀涂敷一 粘结剂层，在所述粘结剂层上均匀 铺设多个纳米级增强体；以及在所述纳米级增强体上覆盖第三镁基板形成一 预制体。将通过上述步骤得到的预制体进行热压及热处理，得到一镁基复合 材料400。
此镁基复合材料制备方法也可以为在第一实施所述之镁基复合材料 300 —表面均匀涂敷一粘结剂层，在所述粘结剂层上均匀铺设大量纳米级增 强体，在所述纳米级增强体上覆盖第三镁基板。将通过上述步骤得到的预制 体进行热压及热处理，得到一镁基复合材料400。
可以理解，上述镁基复合材料的制备方法可以推广到多层镁基板与多层 纳米级增强体层形成的预制体。将此预制体热压后所得到的纳米级增强体复 合材料中包含多层镁基复合层及多层镁基金属层交替排布，并且，每层镁基 复合层均位于两镁基金属层之间。
所述实施方式不局限于采用碳纳米管(CNTs)、碳化硅(SiC)纳米颗粒、氧 化铝(八1203)纳米颗粒及碳化钛(TiC)纳米颗粒等以及它们的混合体作为镁基 复合材料增强体，任何其它增强相，如纤维材料，只要能够起到与上述碳纳 米管(CNTs)、碳化硅(SiC)纳米颗粒、氧化铝(Al203)纳米颗粒及碳化钛(TiC)
纳米颗粒等以及它们的混合体相同的增强增韧效果，均在本发明限定范围内。 本实施方式不局限于采用在镁基板表面涂覆粘结剂的方式使纳米级增强体固 定于镁基板表面，任何其他方式，如直接在镁基板表面生长碳纳米管，或直 接将纳米级增强体散布于镁基板表面，只要能起到上述将纳米级增强体置于 镁基板表面之效果，均在本发明限定范围内。
所述的镁基复合材料的制备方法通过在热压前通过形成预制体的方式， 使碳纳米管在镁基板表面均匀分布，从而保证热压后的纳米级增强体在镁基 复合材料中分布均匀，并呈层状排列，大大提高镁基复合材料的强度和韧性。 并且，利用多层镁基板与纳米级增强体进行层叠，可以生产出不同厚度，包 含多层镁基复合层的板带材，镁基复合层的层数越多，在镁基复合材料中增 强增韧的效果越明显。另外，利用固态热压的方法直接将镁基板与纳米级增 强体复合，工艺简单、易操作、适合工业化生产的应用。此种复合材料将形 变镁合金强度高、延展性及力学性能好的特点与纳米级增强体的增强增韧作 用相结合，得到具有较好综合机械性能的镁基复合材料。
可以理解，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本技术方案和技 术构思做出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本 发明权利要求的保护范围。
权利要求
1. 一种镁基复合材料，包括镁基金属与分布于该镁基金属中的纳米级增强体，其特征在于，所述镁基复合材料为多层结构，该多层结构包括至少两层镁基金属层与至少一层镁基复合层交替排布，该镁基复合层位于镁基金属层之间。
2. 如权利要求1所述的镁基复合材料，其特征在于，所述纳米级增强体在镁基 复合层中均匀分布。
3. 如权利要求1所述的镁基复合材料，其特征在于，所述纳米级增强体为碳纳 米管(CNTs)、碳化硅(SiC)纳米颗粒、氧化铝(Al203)纳米颗粒及碳化钛(TiC) 纳米颗粒等以及它们的混合体。
4. 如权利要求3所述的镁基复合材料，其特征在于，所述纳米级增强体直径为 1至100纳米，所述纳米级增强体质量为镁基复合材料总质量的0.5%至2%。
5. 如权利要求1所述的镁基复合材料，其特征在于，所述镁基金属为纯镁或镁 合金。
6. 如权利要求5所述的4美基复合材料，其特征在于，所述4美合金的组成元素除 镁外，还含有锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙等合金元素的一种或多种。
7. 如权利要求6所述的镁基复合材料，其特征在于，所述镁合金中镁元素占金 属总质量百分比80%以上，其他元素占金属总质量百分比20%以下。
8. —种镁基复合材料的制备方法，其包括以下步骤 提供第一4tt板、第二镁基板和多个纳米级增强体； 将所述多个纳米级增强体均匀固定于该第一颔J4反表面； 将第二镁基板覆盖于该纳米级增强体上，形成一预制体；以及 将预制体热压，形成镁基复合材料。
9. 如权利要求8所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的镁基板 在形成预制体之前进一步包括一裁剪过程。
10. 如权利要求8所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米级增 强体均匀固定于镁基板上为在镁基板表面涂覆粘结剂，并将纳米级增强体通 过粘结剂层固定。
11. 如权利要求IO所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的粘结 剂为亚敏胶。
12. 如权利要求8所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的热压过 程为在惰性气体保护或真空条件下在热压机中进行，其包括如下步骤 将预制体置于热压才几中；对预制体上下表面施加一压力，同时升高热压机内温度； 保持该温度和压力一段时间；以及 去除压力，并于室温中冷却。
13. 如权利要求12所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的温度 在300。C至400。C范围内，所述的压强在50至IOO兆帕范围内，所述热压时 间为5至15小时范围内。
14. 如权利要求8所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，进一步包括一 对镁基复合材料的退火处理过程。
15. 如权利要求8所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述预制体的 形成进一步包括以下步骤提供第一镁基板、第二镁基板、第三4tt板和多个纳米级增强体； 将所述多个纳米级增强体均匀固定于该第一4美基板表面； 将第二镁基板覆盖于该纳米级增强体上；在所述第二镁基板远离第一镁基板的表面均匀固定多个纳米级增强体；以及 在所述纳米级增强体上覆盖第三镁基板形成一预制体。
全文摘要
一种镁基复合材料由镁基金属与分布于该镁基金属中的纳米级增强体组成，所述镁基复合材料为多层结构，该多层结构由至少两层镁基金属层与至少一层镁基复合层交替排布，并且镁基复合层位于镁基金属层之间。一种镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤提供第一镁基板、第二镁基板和多个纳米级增强体；将所述多个纳米级增强体均匀固定于该第一镁基板表面；将第二镁基板覆盖于该纳米级增强体上，以形成一预制体；以及将预制体热压，形成镁基复合材料。采用本发明方法制备的镁基复合材料具有更高的强度和韧性，并且工艺简单、易操作，可广泛地应用于镁基复合材料方面。
文档编号B32B37/06GK101376276SQ200710076758
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月31日 优先权日2007年8月31日
发明者姜开利, 李文珍, 杰 王, 许光良, 陈正士, 陈锦修 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司