专利名称：镁基复合材料的制备方法及制备装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料的制备方法及制备装置，尤其涉及一种镁基复 合材料的制备方法及制备装置。
背景技术：
镁合金是目前工业应用中最轻的金属合金结构材料之一，具有很高的比 强度和比刚度、优异的阻尼性、良好的电磁相容性、易加工等优点，可广泛 用于航空航天领域、汽车行业和信息产业当中。但是现有技术中镁合金的强
韧性还较低，其强度仅为相同工艺制备铝合金的50% 70%，而其韧性及塑 性与铝合金间的差距更大，易发生潜变，这限制了镁合金的应用范围。而镁 合金复合材料在这方面可以弥补镁合金的不足。
目前， 一般采用通过外加陶瓷相、纤维、碳纳米管(carbon nanotube， CNT) 等增强相来复合获得镁合金复合材料。在镁合金材料中加入碳纳米管，形成 的复合材料具有以下优点，第一，可以提高复合材料的抗拉强度，碳纳米管 与镁合金材料复合时易与其界面结合良好，使镁合金-碳纳米管复合材料能 承受更大的抗力；第二，可以提高复合材料的延伸率，碳纳米管与镁合金材 料基体浸润性及界面结合力好，使镁合金-碳纳米管复合材料具有更优异的 性能。
现有技术中，常采用粉末冶金法、喷射沉积法、熔体浸渗法和搅拌铸造 法制备镁基复合材料，但是所制备的镁基复合材料中存在着碳纳米管分散不 均匀(请参见，Development of novel carbon nanotube reinforced magnesium nanocomposites using the powder metallurgy technique, C S Goh et al., Nanotechnology, vol 17, p7(2006))和碳纳米管与镁合金材料基体浸润性差的 问题。这是由于碳纳米管在液相合金中的低湿润性而浮到了液相合金的表面， 使得碳纳米管在镁合金材料中发生偏聚，造成碳纳米管在镁合金材料中分散 不均匀，和镁合金材料基体的相容性、界面浸润性差。从而导致了镁合金-碳纳米管复合材料在抗拉强度和韧性方面没有达到预期的要求。因此，碳纳
米管的分散以及与基体的结合力强弱是影响碳纳米管增强效果的关键因素。 因此，确有必要提供一种镁基复合材料的制备方法及制备装置，使用该 装置制备的镁基复合材料中的碳纳米管分散均勻，且该镁基复合材料具有抗 拉强度高及韧性好的优点。
发明内容
一种镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤第一步，提供大量的镁 颗粒和大量的碳纳米管，得到镁颗粒与碳纳米管的混合体；第二步，在保护 气体保护下，加热上述镁颗粒与碳纳米管混合后得到的混合体，形成一半固
态浆料；第三步，对上述的半固态浆料施加电磁搅拌，以使碳纳米管在半固 态浆料中均匀分散；第四步，将上述均匀分散有碳纳米管的半固态浆料注射 进一压铸模具中，冷却后，得到一镁基复合材料。
一种制备上述镁基复合材料的制备装置，包括一定量输送装置、 一触变 成形机、 一电磁搅拌器和一注射成形机。上述定量输送装置包括一进料口和 一输送带，其中进料口与输送带相连通。上述触变成形机包括一加热桶和一 喷嘴，喷嘴设置在加热桶的第一端，上述定量输送装置的输送带与加热桶第 二端相连通。上述触变成形机进一步包括一加热带、 一螺杆及一单向阀。加 热带围绕在加热桶的外围。螺杆设置在加热桶内轴心处。单向阀设置于上述 螺杆之上。上述电;兹搅拌器包括一感应线圈和一电源，该感应线圏设置于加 热桶第一端的加热带的外围。上述注射成形机包括一压铸才莫具。
与现有技术相比较，所述的镁基复合材料的制备方法通过对镁颗粒和碳 纳米管形成的半固态浆料施加电磁搅拌，能有效避免碳纳米管浮到半固态浆 料表面的现象，使得碳纳米管在半固态浆料中不发生偏聚，保证碳纳米管在 半固态浆料中均匀分散的同时具有很好的流动性。从而使得碳纳米管和镁合 金材料基体的相容性、界面浸润性好，可以获得抗拉强度高和延伸率大的镁 基复合材料。
所述的镁基复合材料的制备装置可在现有技术的半固态镁合金制备装 置上直接增设一电磁搅拌器，结构简单，容易实现，无须重新设计装置制备 镁基复合材料。
图1是本技术方案实施例镁基复合材料的制备方法的流程示意图。
图2是本技术方案实施例镁基复合材料的制备装置的结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的镁基复合材料的制备方 法及制备装置作进一步的详细说明。
如图l所示，本发明提供了一种镁基复合材料的制备方法，其具体包括以
下步骤
( 一 )提供大量的镁颗粒与大量的碳纳米管，将镁颗粒和碳纳米管混合， 得到镁颗粒与碳纳米管的混合体。
其中，镁颗粒可以是纯镁颗粒也可以是镁合金颗粒。上述的镁合金颗粒 的组成元素除镁外，还含有锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙等其他元素中 的一种或几种。其中镁占镁合金颗粒总质量百分比80%以上，其他元素占镁 合金颗粒总质量百分比20%以下。本实施例优选为纯4美颗粒。镁颗粒平均直 径为20纳米(nm)-100微米0im)。碳纳米管为市场上销售的普通碳纳米管， 所采用的碳纳米管的直径为lnm-150nm,碳纳米管的长度为l(im-l(Him。碳 纳米管质量与4美颗粒质量之间的比例为1:50-1:200,本实施例优选为1:100。 其中碳纳米管的加入量不能过多，否则因碳纳米管难以分散会使复合材料的 性能大幅下降。
(二)在保护气体保护下，加热上述镁颗粒与碳纳米管混合后得到的混 合体，形成一半固态浆料。
上述镁颗粒与碳纳米管的混合体是在密闭的装置中进行加热的。该装置 在加热设备的作用下保持加热温度在一预定温度，该预定温度需确保上述混 合体被加热至半固态的浆料的同时，并维持上述混合体的半固态状态。上述 的预定温度是不固定的，根据上述混合体中碳纳米管和镁合金颗粒质量之间 比例的不同以及镁合金颗粒成分的不同而不同。本实施例优选碳纳米管质量 与纯^:颗粒质量以1:100的比例混合，在预定温度为700。C下加热成一半固 态浆料。上述的密闭装置具有一搅拌设备。该搅拌设备可在密闭装置中旋转， 对半固态浆料进行局部搅拌，实现碳纳米管在半固态浆料中的初步分散。上
述混合体应在保护气体环境下进行加热，以防止氧化，该保护气体为惰性气 体或氮气，本实施例优选保护气体为氩气。
(三) 对上述的半固态浆料施加电磁搅拌，以使碳纳米管在半固态浆料 中均匀分散。
电磁搅拌是利用导电的半固态浆料与变化磁场间产生的感应力驱动半 固态浆料进行旋转运动。电磁搅拌可以通过一电磁搅拌器来进行，上述的电
》兹搅拌器的功率为0.2千瓦(KW) 15千瓦(KW),频率为5赫兹(HZ) ~30赫 兹(HZ),搅拌速率为500转/分(rmp) ~3000转/分(rmp)。在电i兹搅拌器中通过 5HZ 30HZ的交流电，会产生一变化的磁场。半固态浆料在电磁搅拌器所产 生的变化》兹场的作用下会产生一感应电流。感应电流产生的感应》兹场与变化 磁场之间的相互作用，推动半固态浆料以整体搅拌的方式运动。这种整体搅 拌的作用能够有效避免碳纳米管浮到半固态浆料表面的现象，使得碳纳米管 在半固态浆料中不发生偏聚，保证碳纳米管在半固态浆料中均匀分散的同时 具有很好的流动性。从而使得碳纳米管和镁合金材料基体的相容性、界面浸 润性好。通过电源调节电磁搅拌器的功率和频率，可以控制电磁搅拌的强度 和速度，从而实现碳纳米管在镁基复合材料中良好的分散性及浸润性。
上述的电磁搅拌器利用了电磁感应的原理可以对半固态浆料实现整体 搅拌的方式，使碳纳米管在半固态浆料中均匀分散，从而实现碳纳米管在半 固态浆料中良好的分散性及浸润性。
可以理解，本发明上述的电磁搅拌器可以与工频、低频或者变频电源相 连，电磁搅拌的方式可以采用正转、反转或者交替运行，利用半固态浆料运 动惯性产生很大的速度差和惯性冲击，从而使搅拌效率大为提高。
(四) 将上述均匀分散有碳纳米管的半固态浆料注射进一压铸模具中， 冷却后，得到一镁基复合材料。
上述均匀分散有碳纳米管的半固态浆料在电磁搅拌器的搅拌后，可注射 进并同时充满压铸模具。该压铸模具具有一预定的形状，上述半固态浆料冷 却后，即可得到一具有预定形状的镁基复合材料。由于镁基复合材料通过将 半固态浆料注射充满压铸模具而制成，所以具有高的铸造精度。
如图2所示，本发明提供一种镁基复合材料8的制备装置100,包括一 定量输送装置3、 一触变成形机4、 一电磁搅拌器6和一注射成形机7。上述
定量输送装置3包括一进料口 31和一输送带32。上述进料口 31进一步包括 一第一进料口 311和第二进料口 312。大量的镁颗粒1与大量的碳纳米管2 分别通过第一进料口 311和第二进料口 312,进入到定量输送装置3中混合。 其中进料口 31与输送带32相连通，混合后的镁颗粒1与碳纳米管2通过输 送带32进行传输。上述触变成形机4包括一加热桶41和一喷嘴45，喷嘴 45设置在加热桶41的第一端，上述定量输送装置3的输送带32与加热桶 41第二端相连通。上述触变成形机4进一步包括一加热带44、 一螺杆42及 一单向阀43。加热带44围绕在加热桶41的外围，用于将镁颗粒1与碳纳米 管2的混合体加热到预定温度，得到一半固态浆料5。螺杆42设置在加热桶 41内轴心处，可在加热桶41内旋转和前后移动，用于搅拌混合上述的半固 态浆料5，并推动半固态浆料5向前运动。单向阀43设置于上述螺杆42之 上，用于保持上述的半固态浆料5向一个方向流动。上述电磁搅拌器6包括 一感应线圈61和一电源(图中未表示)，该感应线圈61设置于加热桶41第一 端的加热带44的外围，该电磁搅拌器可以连续提供不同功率和频率范围的 搅拌力，以满足各种半固态浆料5制备的需要。上述注射成形机7包括一压 铸模具71，该压铸;f莫具71具有一预定形状的空腔72,用于形成具有预定形 状的镁基复合材料8。在注射成形机7中，半固态材料5由喷嘴45注射到空 腔72中，并充满压铸模具71。
使用上述的镁基复合材料8的制备装置100制备镁基复合材料8的过程
中
大量的镁颗粒1与大量的碳纳米管2分别通过第一进料口 311和第二进 料口 312,进入到定量输送装置3中混合。混合后的镁颗粒1与碳纳米管2 的混合体通过输送带32进行传输，进入到触变成形机4中的加热桶41内， 被围绕在加热桶41夕卜围的加热带44加热，形成一半固态浆料5。在加热混 合体至预定温度时，由螺杆42搅拌混合，并推动半固态浆料5向前运动到 电》兹搅拌器6所在的部位。上述混合体在加热时，加热桶41内部空间充满 保护气体，以防止氧化，该保护气体为惰性气体或氮气，本实施例中优选为 氩气。对上述的半固态浆料5施加电磁搅拌，以使碳纳米管2在半固态浆料 5中均匀分散。上述均匀分散有碳纳米管2的半固态浆料5在电磁搅拌器6 的搅拌推动下向喷嘴45的方向运动，由喷嘴45注射进上述具有预定形状的
8
空腔72中'并充满压铸模具71,得到一具有预定形状的镁基复合材料8。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，当然，这些 依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
权利要求
1. 一种镁基复合材料的制备方法，其包括以下步骤:提供大量的镁颗粒和大量的碳纳米管；加热上述镁颗粒与碳纳米管混合后得到的混合体，形成一半固态浆料；对上述的半固态浆料施加电磁搅拌；以及将上述施加电磁搅拌后的半固态浆料注射进一压铸模具中，冷却后，得到一镁基复合材料。
2. 如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，镁颗粒是纯镁 颗粒和4美合金颗粒中的 一种。
3. 如权利要求2上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，上述的镁合金 颗粒的组成元素除镁外，还含有锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、4丐等其他元 素中的一种或几种。
4. 如权利要求3上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，其中镁占镁合 金颗粒总质量百分比80%以上，其他元素占4美合金颗粒总质量百分比20% 以下。
5. 如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，上述的镁颗粒 的平均直径为20纳米-100微米，碳纳米管的直径为1纳米-150纳米，碳纳 米管的长度为l微米-10微米。
6. 如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，上述的碳纳米 管质量与^t美颗粒质量之间的比例为1:50-1:200。
7. 如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，上述镁颗粒与 碳纳米管的混合体在保护气体环境下进行加热，该保护气体为惰性气体或氮气
8. 如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，通过一电i兹搅 拌器对上述的半固态浆料施加电f兹搅拌。
9. 如权利要求8上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，通过调节电i兹 搅拌器的功率和频率控制搅拌的强度和速度。
10. —种镁基复合材料的制备装置，包括一定量输送装置，该定量输送装置包括一进料口和一输送带，其中进料口与 输送带相连通；一触变成形机，该触变成形机包括一加热桶和一喷嘴，喷嘴设置在加热桶 的第一端，上述定量输送装置的输送带与加热桶第二端相连通，该触变成 形机进一步包括一加热带、 一螺杆及一单向阀，加热带围绕在加热桶的外围，螺杆设置在加热桶内轴心处，单向阀设置于上述螺杆之上；以及 一注射成形机，该注射成形机包括一压铸才莫具，其特征在于，上述制备装置进一步还包括一电磁搅拌器，该电磁搅拌器包 括一感应线圈，该感应线圈设置于上述加热桶第 一端的加热带的外围。 11.如权利要求IO所述的镁基复合材料的制备装置，其特征在于，上述电磁搅拌器与电源相连，该电》兹搅拌器的功率为0.2千瓦 15千瓦，频率为5赫兹~30赫兹，搅拌速率为500转/分~3000转/分。
全文摘要
本发明涉及一种镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤提供大量的镁颗粒和大量的碳纳米管；在保护气体保护下，加热上述镁颗粒与碳纳米管混合后得到的混合体，形成一半固态浆料；对上述的半固态浆料施加电磁搅拌，以使碳纳米管在半固态浆料中均匀分散；将上述均匀分散有碳纳米管的半固态浆料注射进一压铸模具中，冷却后，得到一镁基复合材料。本发明还涉及一种镁基复合材料的制备装置，包括一定量输送装置、一触变成形机、一电磁搅拌器和一注射成形机。本发明所提供的镁基复合材料的制备方法，可使镁颗粒和碳纳米管混合均匀，从而获得抗拉强度高和韧性好的镁基复合材料，可广泛地应用于3C产品、汽车零部件、航天航空零部件等方面。
文档编号C22C23/00GK101376932SQ20071007677
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
发明者张丽清, 李文珍, 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