碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法

1.本发明属于碳纳米管增强镁基复合材料制备方法技术领域，具体涉及碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法。


背景技术：

2.镁合金具有切削性好，易于加工、高比强度，比刚度、质量轻、低密度等优点，镁合金在新能源车，航空航天，电子通讯，医疗器械等领域应用广泛。在轻量化工程应用中，制造汽车零部件或车身板材时，若可使用镁合金代替原的高强度钢或铝合金，降低汽车质量，可带来极大的经济收益。但镁合金的抗拉强度、硬度低，耐磨性差等缺点，限制了其广泛应用。碳纳米管为管状的纳米级石墨晶体。具有良好的力学性能，抗拉强度达到50-200gpa，是钢的100倍数，密度仅为钢的1/6，弹性模量与金刚石相当，可达到1tpa；同时cnts具有良好的柔韧性、导电性和传热性。由于其优异的力学和物理性能，可作为金属基复合材料的理想增强体，受到国内外学者的一致认可。
3.国内外研究表明，通过外加增强体可以实现晶粒细化并改善镁合金力学性能，研究较多的镁基复合材料的增强相材料主要有sic颗粒和晶须、al2o3颗粒、短纤维、tic颗粒和石墨纤维等。但镁基复合材料受制于mg基体的hcp结构，塑性较差，特别是采用微米或更大尺度的增强体时，复合材料中往往存在微米级增强相断裂以及与基体间界面失效等缺点。在强度提升的同时塑性急剧下降，强度与塑性呈现倒置现象。相关研究表明，若将增强体尺寸减小到纳米尺度且分散均匀，则能够在提高镁基复合材料强度的同时保持其塑性。因此，纳米增强体是提高镁基复合材料强韧性较好的选择。
4.目前，碳纳米管增强镁基复合材料的制备难点在于cnts在合金基体中的团聚现象严重，碳纳米管与镁合金的润湿性也较差，团簇和缠结往往会导致空气夹杂，产生气孔等缺陷；并且碳纳米管团簇和缠结将一维的增强相转变为类颗粒状增强相，失去了高长径比的优势，大大降低了界面应力传递效率，因此，优化出良好的制备工艺以提高cnts/mg复合材料的强韧性十分必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，解决了现有制备方法中cnts在合金基体中的团聚现象严重的问题。
6.本发明所采用的技术方案是，碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
7.步骤1、按质量百分比称取碳纳米管和az91镁合金粉末，在锥形球磨机中球磨混合，得到混合粉末；
8.步骤2、在步骤1中的混合粉末中加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；
9.步骤3、将步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9
×
10-3
pa以下真空
除气，流延成型；
10.步骤4、将流延成型的坯料置于烘干设备中，在500-550℃经上下烘干道烘干15-30min；
11.步骤5、将步骤4中烘干后的坯料切割，然后置于箱式电阻炉中进行均匀化热处理，即得。
12.本发明的特点还在于：
13.碳纳米管为多壁碳纳米管纯度大于98％，内径为5-10nm，长度为10-20um，镁粉纯度99％，粒径100um。
14.步骤1及步骤2中锥形球磨机的转速均为300r/min，球磨时间均为10h。
15.分散剂和均化剂按质量比2:1比例混合添加，分散剂和均化剂占混合粉末质量的3％。
16.步骤2中酒精没过磨球和物料，且体积不超过球磨罐的1/2。
17.球磨罐中磨球的直径分别为5mm、12mm，大小球数量比为2:1。
18.步骤3中纳滤膜的孔径为1-2nm，流延成型过程中，形成坯料的速度为2mm/s，坯料的厚度为2mm。
19.步骤5中的热处理温度为200℃，处理时间为12h。
20.步骤5中将烘干后的坯料切割为60mm*60mm*2mm的板材。
21.步骤1中碳纳米管的质量占混合粉末的质量比不超过10％。
22.本发明的有益效果是：
23.1.本发明对碳纳米管进行分散处理，可以有效的得到分散性，完整性较好的碳纳米管。
24.2.本发明利用流延成型工艺方法使碳纳米管与镁基体的界面结合性有一定的提高。
25.3.本发明制备的cnts/az91镁基复合材料抗拉强度，韧性得到明显提高。
附图说明
26.图1是本发明碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法中分散前的cnts组织形貌；
27.图2是本发明碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法中分散后的cnts组织形貌。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
29.本发明碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
30.步骤1、按质量百分比称取碳纳米管和az91镁合金粉末，在锥形球磨机中球磨混合，得到混合粉末，步骤1中碳纳米管的质量占混合粉末的质量比不超过10％。
31.碳纳米管为多壁碳纳米管纯度大于98％，内径为5-10nm，长度为10-20um，镁粉纯度99％，粒径100um；
32.步骤2、在步骤1中的混合粉末中加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；
33.分散剂具体为：将磷脂酰乙醇胺、脂肪酸聚丙三醇、甲基戊醇按重量比为1：1.5：2
混合，并避光保存15天，分散剂用于分散团聚的cnts；
34.均化剂具体为：将甲基异丙苯、花烃、间甲基丙苯、2-甲基戊烷按重量比为1：1.5：1：2混合，并避光保存15天，均化剂用于使分散的cnts在镁基体中均匀分布，均化剂用于提高cnts基体的润湿性；
35.分散剂和均化剂按质量比2:1比例混合添加，分散剂和均化剂占混合粉末质量的3％；
36.酒精没过磨球和物料，且体积不超过球磨罐的1/2；
37.球磨罐中不锈钢磨球直径分别为5mm、12mm，大小球数量比为2:1；
38.步骤1及步骤2中锥形球磨机的转速均为300r/min，球磨时间均为10h；
39.步骤3、将步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9
×
10-3
pa以下真空除气，流延成型；
40.纳滤膜的孔径为1-2nm，流延成型过程中，形成坯料的速度为2mm/s，坯料的厚度为2mm；
41.步骤4、将流延成型的坯料置于烘干设备中，在500-550℃经上下烘干道烘干15-30min；
42.步骤5、将步骤4中烘干后的坯料切割，然后置于箱式电阻炉中进行均匀化热处理，即得；
43.热处理温度为200℃，处理时间为12h；
44.将烘干后的坯料切割为60mm*60mm*2mm的板材。
45.实施例1
46.碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
47.步骤1、制备0.5wt.％cnts/az91镁基复合材料，称取597g镁粉末，3gcnts，在锥形球磨机中球磨混合，得到混合粉末；
48.碳纳米管为多壁碳纳米管纯度大于98％，内径为5nm，长度为10um，镁粉纯度99％，粒径100um；
49.步骤2、在步骤1中的混合粉末中加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；分散剂用于分散团聚的cnts，均化剂用于使分散的cnts在镁基体中均匀分布，提高cnts基体的润湿性；
50.分散剂和均化剂按质量比2:1比例混合添加，分散剂和均化剂的质量为18g；
51.酒精没过磨球和物料，且体积不超过球磨罐的1/2；
52.球磨罐中不锈钢磨球直径分别为5mm、12mm，大小球数量比为2:1；
53.步骤1及步骤2中锥形球磨机的转速均为300r/min，球磨时间均为10h；
54.步骤3、将步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9
×
10-3
pa以下真空除气，流延成型；
55.纳滤膜的孔径为1-2nm，流延成型过程中，形成坯料的速度为2mm/s，坯料的厚度为2mm；
56.步骤4、将流延成型的坯料置于烘干设备中，在500℃经上下烘干道烘干15min；
57.步骤5、将步骤4中烘干后的坯料切割，然后置于箱式电阻炉中进行均匀化热处理，即得；
58.热处理温度为200℃，处理时间为12h；
59.将烘干后的坯料切割为60mm*60mm*2mm的板材。
60.实施例2
61.碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
62.步骤1、制备1.0wt.％cnts/az91镁基复合材料，称取594g镁粉末，6gcnts，在锥形球磨机中球磨混合，得到混合粉末；
63.碳纳米管为多壁碳纳米管纯度大于98％，内径为10nm，长度为20um，镁粉纯度99％，粒径100um；
64.步骤2、在步骤1中的混合粉末中加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；分散剂用于分散团聚的cnts，均化剂用于使分散的cnts在镁基体中均匀分布，均化剂用于提高cnts基体的润湿性；
65.分散剂和均化剂按质量比2:1比例混合添加，分散剂和均化剂的质量为18g；
66.酒精没过磨球和物料，且体积不超过球磨罐的1/2；
67.球磨罐中不锈钢磨球直径分别为5mm、12mm，大小球数量比为2:1；
68.步骤1及步骤2中锥形球磨机的转速均为300r/min，球磨时间均为10h；
69.步骤3、将步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9
×
10-3
pa以下真空除气，流延成型；
70.纳滤膜的孔径为2nm，流延成型过程中，形成坯料的速度为2mm/s，坯料的厚度为2mm；
71.步骤4、将流延成型的坯料置于烘干设备中，在550℃经上下烘干道烘干30min；
72.步骤5、将步骤4中烘干后的坯料切割，然后置于箱式电阻炉中进行均匀化热处理，即得；
73.热处理温度为200℃，处理时间为12h；
74.将烘干后的坯料切割为60mm*60mm*2mm的板材。
75.实施例3
76.碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
77.步骤1、制备1.5wt.％cnts/az91镁基复合材料，称取591g镁粉末，9gcnts，在锥形球磨机中球磨混合，得到混合粉末；
78.碳纳米管为多壁碳纳米管纯度大于98％，内径为7nm，长度为15um，镁粉纯度99％，粒径100um；
79.步骤2、在步骤1中的混合粉末中加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；分散剂用于分散团聚的cnts，均化剂用于使分散的cnts在镁基体中均匀分布，均化剂用于提高cnts基体的润湿性；
80.分散剂和均化剂按质量比2:1比例混合添加，分散剂和均化剂的质量为18g；
81.酒精没过磨球和物料，且体积不超过球磨罐的1/2；
82.球磨罐中不锈钢磨球直径分别为5mm、12mm，大小球数量比为2:1；
83.步骤1及步骤2中锥形球磨机的转速均为300r/min，球磨时间均为10h；
84.步骤3、将步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9
×
10-3
pa以下真空除气，流延成型；
85.纳滤膜的孔径为1.5nm，流延成型过程中，形成坯料的速度为2mm/s，坯料的厚度为2mm；
86.步骤4、将流延成型的坯料置于烘干设备中，在520℃经上下烘干道烘干30min；
87.步骤5、将步骤4中烘干后的坯料切割，然后置于箱式电阻炉中进行均匀化热处理，即得；
88.热处理温度为200℃，处理时间为12h；
89.将烘干后的坯料切割为60mm*60mm*2mm的板材。
90.实施例4
91.碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
92.步骤1、制备2.0wt.％cnts/az91镁基复合材料，称取498g镁粉末，12gcnts，在锥形球磨机中球磨混合，得到混合粉末；
93.碳纳米管为多壁碳纳米管纯度大于98％，内径为7nm，长度为15um，镁粉纯度99％，粒径100um；
94.步骤2、在步骤1中的混合粉末中加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；分散剂用于分散团聚的cnts，均化剂用于使分散的cnts在镁基体中均匀分布，均化剂用于提高cnts基体的润湿性；
95.分散剂和均化剂按质量比2:1比例混合添加，分散剂和均化剂的质量为18g；
96.酒精没过磨球和物料，且体积不超过球磨罐的1/2；
97.球磨罐中不锈钢磨球直径分别为5mm、12mm，大小球数量比为2:1；
98.步骤1及步骤2中锥形球磨机的转速均为300r/min，球磨时间均为10h；
99.步骤3、将步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9
×
10-3
pa以下真空除气，流延成型；
100.纳滤膜的孔径为1.5nm，流延成型过程中，形成坯料的速度为2mm/s，坯料的厚度为2mm；
101.步骤4、将流延成型的坯料置于烘干设备中，在520℃经上下烘干道烘干30min；
102.步骤5、将步骤4中烘干后的坯料切割，然后置于箱式电阻炉中进行均匀化热处理，即得；
103.热处理温度为200℃，处理时间为12h；
104.将烘干后的坯料切割为60mm*60mm*2mm的板材。
105.实施例5
106.碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
107.步骤1、称取纯度为99％，粒径100um的镁粉末，在锥形球磨机中球磨；
108.步骤2、在步骤1加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；
109.分散剂和均化剂按质量比2:1比例混合添加，分散剂和均化剂的质量为18g；
110.酒精没过磨球和物料，且体积不超过球磨罐的1/2；
111.球磨罐中不锈钢磨球直径分别为5mm、12mm，大小球数量比为2:1；
112.步骤1及步骤2中锥形球磨机的转速均为300r/min，球磨时间均为10h；
113.步骤3、将步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9
×
10-3
pa以下真空除气，流延成型；
114.纳滤膜的孔径为1.5nm，流延成型过程中，形成坯料的速度为2mm/s，坯料的厚度为2mm；
115.步骤4、将流延成型的坯料置于烘干设备中，在520℃经上下烘干道烘干30min；
116.步骤5、将步骤4中烘干后的坯料切割，然后置于箱式电阻炉中进行均匀化热处理，即得；
117.热处理温度为200℃，处理时间为12h；
118.将烘干后的坯料切割为60mm*60mm*2mm的板材。
119.图2为高倍下sem观察的分散后的碳纳米管形貌，可以清晰的看到cnts呈长条状并互相缠绕，表明cnts经球磨和化学分散后得到显著分散。
120.表1为不同含量cnts的cnts/az91复合材料室温拉伸性能测试结果
[0121][0122]
通过对比实例5与实例1-4发现，实例1-4的抗拉强度，断面收缩率，延伸率均优于实例5，其中实例3的力学性能最为出色，抗拉强度达到190mpa，较实例5提升约24％。

技术特征：
1.碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、按质量百分比称取碳纳米管和az91镁合金粉末，碳纳米管的在锥形球磨机中球磨混合，得到混合粉末；步骤2、在所述步骤1中的混合粉末中加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；步骤3、将所述步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9
×
10-3
pa以下真空除气，流延成型；步骤4、将流延成型的坯料置于烘干设备中，在500-550℃经上下烘干道烘干15-30min；步骤5、将所述步骤4中烘干后的坯料切割，然后置于箱式电阻炉中进行均匀化热处理，即得。2.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管纯度大于98％，内径为5-10nm，长度为10-20um，镁粉纯度99％，粒径100um。3.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1及步骤2中锥形球磨机的转速均为300r/min，球磨时间均为10h。4.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂和均化剂按质量比2:1比例混合添加，分散剂和均化剂占混合粉末质量的3％。5.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中酒精没过磨球和物料，且体积不超过球磨罐的1/2。6.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，球磨罐中磨球的直径分别为5mm、12mm，大小球数量比为2:1。7.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中纳滤膜的孔径为1-2nm，流延成型过程中，形成坯料的速度为2mm/s，坯料的厚度为2mm。8.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中的热处理温度为200℃，处理时间为12h。9.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中将烘干后的坯料切割为60mm*60mm*2mm的板材。10.根据权利要求1所述的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中碳纳米管的质量占混合粉末的质量比不超过10％。

技术总结
本发明公开了碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、按质量百分比称取碳纳米管和AZ91镁合金粉末，在锥形球磨机中球磨混合，得到混合粉末；步骤2、在步骤1中的混合粉末中加入分散剂、均化剂和酒精，继续球磨，得到混合浆料；步骤3、将步骤2中的混合浆料用纳滤膜过滤，然后在真空度为9


技术研发人员：王武孝 刘争争 秦少勇
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8