专利名称：一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法
一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及镁基复合材料的制备方法。
背景技术：
近年来，随着航空航天、汽车、机械及电子行业等高技术领域的迅猛发展，对颗粒增强金属基复合材料的需求量正逐年增加。镁基复合材料因其密度小，且比镁及镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能，受到高度的重视。而碳纳米管具有优异的性能，例如多壁碳纳米管弹性模量达lTPa，拉伸强度为30GPa，极高的纵横比和独特的导电特性，是制备复合材料的理想增强材料。但碳纳米管具有大的比表面积和极高的纵横比，碳纳米管之间存在较强的范德华力，使得其易团聚或缠绕，而增强体能否在基体材料中均匀分散且稳定存在将直接影响复合材料的性能。所以，要使碳纳米管作为增强材料首要问题就是解决其在基体中的分散性。把颗粒添加到基体中的方法有很多种，例如利用失重和高强超声处理把颗粒与基体混合。但失重工艺复杂而且难控制，超声处理比较贵而且也很难达到大规模生产水平。发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺方法简单、操作方便、工艺流程短、搅拌复合效果好、性能优异、生产成本低的高性能碳纳米管颗粒增强镁基复合材料的制备方法。本发明的目的是通过以下步骤实现的。
( I)碳纳米管/金属粉末预制块体的制备。
将碳纳米管、金属粉末按1:2 1:30的质量比例混合放入球磨机里球磨O. 5^24h, 然后用4(Γ100目不锈钢筛过筛，得到均匀混合料，再使用金属箔纸将混合料包好，把混合料包放入一定尺寸的模具中，采用压力机在室温下进行压制，制备碳纳米管/金属粉末预制块体。
(2)强烈机械搅拌使碳纳米管/金属粉末预制块体与金属或合金熔体均匀混合。
将镁基体材料完全溶化后，对熔体进行精炼除气除渣，然后使用钟罩将步骤(I)中的碳纳米管/金属粉末预制块体压入到镁基体材料熔体中，至预制块体完全熔入镁或镁合金液，然后在温度70(T780°C、搅拌速度10(Γ1500转/分钟条件下，用搅拌器对镁或镁合金熔体搅拌O. 5^10分钟。搅拌完之后，调整熔体温度到浇铸温度，浇铸制得碳纳米管增强镁基复合材料坯锭。碳纳米管占碳纳米管增强镁基复合材料的含量为O. r5wt. %0
本发明所述的碳纳米管可以为单壁或多壁碳纳米管。本发明所述的金属粉末为镁基体材料的成分中所含有的元素，如AZ91D中含有的铝、锌等。金属粉末可以为单一的金属粉末，也可以是多种金属粉末的混合物。
本发明所述的镁基体材料为镁或镁合金。
本发明所述的浇铸方法可以是压力铸造、重力铸造、真空吸铸等所有铸造方法。
本发明所述的金属箔纸根据复合材料成分要求选择使用，尽量避免因金属箔纸的使用而带入其他元素。
本发明由于采用上述工艺方法，具有以下有益的效果1、碳纳米管通过与金属粉末混合球磨处理，对碳纳米管有预分散作用，同时也有效地提高了碳纳米管与金属或合金熔体的润湿性，有利于二者的搅拌复合。
2、强烈的机械搅拌，产生强力高效的径向作用力，有利于颗粒与熔体的充分混合， 同时进一步提高碳纳米管在熔体中分散的均匀性。
3、碳纳米管在镁基体中均匀分布的稳定性提高。
4、与一步直接添加碳纳米管到熔体中相比，采用本发明中的预先制备碳纳米管/ 金属粉末预制块体的方法，通过调节预制块体的添加量，可以使得复合材料内碳纳米管颗粒的含量易于准确控制和调节。
综上所述，本发明工艺方法简单、操作方便、工艺流程短、搅拌效果好、碳纳米管颗粒在基体中分布均匀、性能优异、生产成本低，适于工业化规模制备高性能碳纳米管增强镁基复合材料。
具体实施方式
本发明将通过以下具体实施例作进一步的描述。
实施例1。
首先将铝粉、锌粉和碳纳米管按9:1:1的质量比配比混合，放入球磨机里球磨6h， 然后用50目的不锈钢网筛过筛分离磨球，得到均匀混合料，然后使用铝箔纸将混合料包好，根据混合料的量可以均分多次包好，把混合料包放入一定尺寸的模具中，采用压力机在室温下进行 压制，制得碳纳米管/金属粉末预制块体。将预热好的AZ91D镁合金放入已预热至暗红Γ500°Ο的低碳钢制作的坩埚中，熔化的同时开始通入CO2和SF6的混合气 (体积比CO2 SF6=99 1)作为保护气，当AZ91D镁合金完全溶化后，对熔体进行精炼除气除渣。精炼后待熔体温度达到720°C时，使用钟罩将碳纳米管/金属粉末预制块体压入到 AZ91D镁合金熔体中，碳纳米管加入的量为1. Owt. %。预制块全部压入熔化之后，用搅拌器对合金熔体进行强烈搅拌I分钟，搅拌速度为1000转/分钟，强力高效的径向力有利于颗粒与熔体的充分混合，实现碳纳米管在熔体中均匀分散。搅拌完之后，调整熔体温度到浇铸温度700°C，浇铸到预先预热至200°C的模具中，制得AZ91D/1. Owt. %CNTs复合材料。对 AZ91D/1. Owt. %CNTs复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达24(T263MPa，延伸率达 If 15. 7%，弹性模量为85 90GPa，是一种力学性能优异的复合材料。
实施例2。
首先将铝粉、锌粉和碳纳米管按9:1:0. 5的质量比配比混合，放入球磨机里球磨 6h，然后用50目的不锈钢网筛过筛分离磨球，得到均匀混合料，然后使用铝箔纸将混合料包好，根据混合料的量可以均分多次包好，把混合料包放入一定尺寸的模具中，采用压力机在室温下进行压制，制得碳纳米管/金属粉末预制块体。将预热好的AZ91D镁合金放入已预热至暗红Γ500°Ο的低碳钢制作的坩埚中，熔化的同时开始通入CO2和SF6的混合气 (体积比CO2 SF6=99 1)作为保护气，当AZ91D镁合金完全溶化后，对熔体进行精炼除气除渣。精炼后待熔体温度达到720°C时，使用钟罩将碳纳米管/金属粉末预制块体压入到AZ91D镁合金熔体中，碳纳米管加入的量为0.5wt.%。预制块全部压入熔化之后，用搅拌器对合金熔体进行强烈搅拌I分钟，搅拌速度为1000转/分钟，强力高效的径向力有利于颗粒与熔体的充分混合，实现碳纳米管在熔体中均匀分散。搅拌完之后，调整熔体温度到浇铸温度700°C，浇铸到预先预热至200°C的模具中，制得AZ91D/0. 5wt. %CNTs复合材料。对 AZ91D/0. 5wt. %CNTs复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达18(T200MPa，延伸率达 7 10%，弹性模量为75-80GPa，是一种力学性能良好的复合材料。
实施例3。
首先将铝粉、锌粉和碳纳米管按9:1:1. 5的质量比配比混合，放入球磨机里球磨 6h，然后用50目的不锈钢网筛过筛分离磨球，得到均匀混合料，然后使用铝箔纸将混合料包好，根据混合料的量可以均分多次包好，把混合料包放入一定尺寸的模具中，采用压力机在室温下进行压制，制得碳纳米管/金属粉末预制块体。将预热好的AZ91D镁合金放入已预热至暗红Γ500°Ο的低碳钢制作的坩埚中，熔化的同时开始通入CO2和SF6的混合气 (体积比CO2 SF6=99 1)作为保护气，当AZ91D镁合金完全溶化后，对熔体进行精炼除气除渣。精炼后待熔体温度达到720°C时，使用钟罩将碳纳米管/金属粉末预制块体压入到 AZ91D镁合金熔体中，碳纳米管加入的量为1.5wt.%。预制块全部压入熔化之后，用搅拌器对合金熔体进行强烈搅拌I分钟，搅拌速度为1000转/分钟，强力高效的径向力有利于颗粒与熔体的充分混合，实现碳纳米管在熔体中均匀分散。搅拌完之后，调整熔体温度到浇铸温度700°C，浇铸到预先预热至200°C的模具中，制得AZ91D/1. 5wt. %CNTs复合材料。对 AZ91D/1. 5wt. %CNTs复合材料进行了力学性能测试，其抗拉强度达21(T23 0MPa，延伸率达扩12%，弹性模量为8(T85GPa，是一种力学性能优良的复合材料。
权利要求
1.一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征是按以下步骤 (1)将碳纳米管、金属粉末按1:2 1:30的质量比例混合放入球磨机里球磨O.5 24h，然后用4(Γ100目不锈钢筛过筛，得到均匀混合料，再使用金属箔纸将混合料包好，把混合料包放入模具中，采用压力机在室温下进行压制，制备碳纳米管/金属粉末预制块体； (2)将镁基体材料完全溶化后，对熔体进行精炼除气除渣，然后使用钟罩将步骤(I)中的碳纳米管/金属粉末预制块体压入到镁基体材料熔体中，至预制块体完全熔入镁或镁合金液，然后在温度70(T780°C、搅拌速度10(Γ1500转/分钟条件下，用搅拌器对镁或镁合金熔体搅拌O. 5^10分钟；搅拌完之后，调整熔体温度到浇铸温度，浇铸制得碳纳米管增强镁基复合材料坯锭；碳纳米管占碳纳米管增强镁基复合材料的含量为O. r5wt. %。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的金属粉末为镁基体材料的成分中所含有的元素，为单一的金属粉末或多种金属粉末的混合物。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的镁基体材料为镁或镁合金。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的浇铸方法是压力铸造、重力铸造或真空吸铸。
全文摘要
一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，将碳纳米管、金属粉末按1:2~1:30的质量比例混合放入球磨机里球磨0.5~24h，40~100目不锈钢筛过筛，再使用金属箔纸将混合料包好，放入模具中压制；将镁基体材料完全溶化后，对熔体进行精炼除气除渣，然后使用钟罩将碳纳米管/金属粉末预制块体压入镁基体材料熔体中，至预制块体完全熔入镁或镁合金液，700~780℃、100~1500转/分钟条件下，搅拌0.5~10分钟，调整熔体温度到浇铸温度，浇铸制得碳纳米管增强镁基复合材料坯锭，其中碳纳米管占碳纳米管增强镁基复合材料的含量为0.1~5wt.%。本发明工艺简单、操作方便、流程短，碳纳米管颗粒在基体中分布均匀，性能优异，生产成本低，适于工业化规模制备高性能碳纳米管增强镁基复合材料。
文档编号C22C47/08GK103014567SQ20121049772
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者刘勇, 曾效舒, 付东明, 邵爽 申请人:南昌大学