專利名稱：鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制造方法，尤其涉及一種鎂基-碳納米管復(fù) 合材料的制造方法。
背景技術(shù)：
鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的輕金屬元素之一，鎂的比重是1.74克每立方厘 米(g/cm3),只有鋁的2/3、鈦的2/5、鋼的1/4，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度， 且具有吸震降噪性能好、鑄造性能好、儲(chǔ)量豐富、易于回收利用等優(yōu)點(diǎn)，被 譽(yù)為"21世紀(jì)的綠色工程材料"。因此，鎂合金被廣泛用于航空航天領(lǐng)域、 汽車行業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。但是，鑄造鎂合金的絕對(duì)強(qiáng)度低、組織較軟、高 溫性能較差等弱點(diǎn)，使得鎂合金僅能用來(lái)制造殼類等不能承受較大載荷的零 件。而鎂基復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度、比剛度，同時(shí)還具有較好的耐磨性、 耐高溫性能。所以，相比鎂合金，鎂基復(fù)合材料具有更大的潛在的應(yīng)用前景。
目前，主要是采用向鎂基復(fù)合材料中加入納米級(jí)顆粒增強(qiáng)體的方式提高 鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。具有納米級(jí)晶體的碳纖維或碳納米管等碳納米 材料，其形狀為類似于圓柱形彎曲片材的物質(zhì)，其中碳原子以六邊形網(wǎng)格形 式排列，具有1.0-150納米(nm)的直徑和最長(zhǎng)至100微米(/mi)的長(zhǎng)度。這些 材料的抗拉強(qiáng)度為鋼的100倍，密度為1.35g/cm3,膨脹率低、導(dǎo)熱、導(dǎo)電 性及可滑動(dòng)性能好，是理想的納米晶須增強(qiáng)增韌材料。
向鎂基復(fù)合材料中加入上述的納米級(jí)顆粒的一種典型工藝是半固態(tài)成 形工藝。半固態(tài)成形工藝主要包括壓鑄和觸變注射成形。由于鎂基復(fù)合材料 錠料在二次加熱時(shí)易氧化燃燒，因此當(dāng)前主要采用觸變注射成形工藝制造鎂 基復(fù)合材料。采用觸變成形注射工藝制造鎂基復(fù)合材料的具體過(guò)程如下將 基體切削加工成細(xì)顆粒狀，同時(shí)加入增強(qiáng)顆粒，將混合物顆粒裝入料斗中， 通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)復(fù)合材料顆粒運(yùn)動(dòng)到加熱部位時(shí)，將部分融熔形成具 有觸變結(jié)構(gòu)的半固態(tài)料，在螺旋體作用下，當(dāng)其累計(jì)到一定的體積時(shí)，再被 高速注射到已經(jīng)被抽空的預(yù)熱模具中成形。在整個(gè)觸變注射成形的過(guò)程中，鎂基復(fù)合材料可以像熱塑性塑料一樣流動(dòng)成形。此過(guò)程清潔，安全，原材料 消耗大大減少，沒(méi)有熔渣產(chǎn)生，更不需熔煉液態(tài)金屬和澆注等過(guò)程，成形件 可達(dá)到很高的精度，縮松少，致密度高。
將碳納米管作為鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體可表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和韌性，所 以鎂基-碳納米管復(fù)合材料具有極好的綜合機(jī)械性能。但是，采用上述的半 固態(tài)成形工藝制造的鎂基-碳納米管復(fù)合材料中存在著碳納米管分散不均勻
的問(wèn)題(i青參見(jiàn)，Development of novel carbon nanotube reinforced magnesium nanocomposites using the powder metallurgy technique, C S Goh et al., Nanotechnology， vol 17， p7(2006))。由于碳納米管在鎂基-碳納米管復(fù)合材 料中分散不均勻，從而導(dǎo)致了鎂基-碳納米管復(fù)合材料在強(qiáng)度和韌性方面沒(méi) 有達(dá)到預(yù)期的要求。
因此，確有必要提供一種鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，使用該 方法制造的鎂基-碳納米管復(fù)合材料中的碳納米管分散均勻，且該鎂基-碳納 米管復(fù)合材料具有強(qiáng)度高及韌性好的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
一種鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其包括以下步驟提供鎂熔 體和大量的碳納米管，將鎂熔體和碳納米管混合得到一混合漿料；將上述混 合漿料注入模具中，得到一預(yù)制體；以及，將上述預(yù)制體進(jìn)行擠壓成型處理， 制得鎂合金-碳納米管復(fù)合材料。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述的鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，將熔 體與碳納米管的混合物鑄造成固定形狀后再進(jìn)行擠壓成形。在擠壓過(guò)程中， 該固定形狀的混合物需經(jīng)過(guò)變形，在其變形過(guò)程中，碳納米管在混合物中的 分布更加均勻，且，由于擠壓過(guò)程需對(duì)混合物施加較大的壓力，因此制造的 鎂基-碳納米管復(fù)合材料具有較高的致密性。故，本技術(shù)方案所提供的鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法所制造的鎂基-碳納米管復(fù)合材料具有強(qiáng)度高 和韌性好的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于3C產(chǎn)品、汽車零部件、航天航空零部件 等方面。且，本發(fā)明所提供的鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法搡作簡(jiǎn)單， 成本低廉，適合批量生產(chǎn)鎂基-碳納米管復(fù)合材料。


圖1是本技術(shù)方案鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法的流程圖。 圖2是本技術(shù)方案鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造過(guò)程的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。 請(qǐng)參閱圖l及圖2，本技術(shù)方案實(shí)施例提供了一鎂基-碳納米管復(fù)合材料
的制造方法，其具體包括以下步驟
( 一 )提供鎂熔體2和大量的碳納米管1，將鎂熔體2和碳納米管1混 合得到一混合漿料。
鎂熔體2為半固態(tài)熔融的熔體，其設(shè)置于一容器3中，容器3的內(nèi)部充 滿保護(hù)氣體，以防止鎂熔體2被氧化。將碳納米管1緩慢加入到上述盛有鎂 熔體2的容器3中，在加入的過(guò)程中通過(guò)攪拌器5不斷對(duì)容器3中的熔液進(jìn) 行機(jī)械攪拌，使碳納米管1和鎂熔體2初步混合，得到一混合漿料。所述容 器3周圍纏有加熱絲4，所述加熱絲4使容器3保持在一定溫度，該溫度使 鎂熔體3保持半固態(tài)狀態(tài)。所述溫度的范圍為550-750°C,本實(shí)施例優(yōu)選為 700°C。所述保護(hù)氣體可選自惰性氣體和氮?dú)?，本?shí)施例中保護(hù)氣體優(yōu)選為 為氮?dú)狻?br> 碳納米管1在混合漿料中的質(zhì)量百分比濃度為1%-5%，鎂熔體2在混合 漿料中的質(zhì)量百分比濃度為95%-99%,本實(shí)施例中，碳納米管1在混合漿料 中的質(zhì)量百分比濃度優(yōu)選為3%，鎂熔體2在混合漿料中的質(zhì)量百分比濃度 為97%。
其中，碳納米管1為市場(chǎng)上銷售的普通碳納米管，可以為單壁碳納米管、 雙壁碳納米管、多壁碳納米管或此三種碳納米管任意組合的混合物，碳納米 管1的直徑為1.0nm-150nm，長(zhǎng)度在l/mi-10/mi;鎂熔體2可以為純鎂熔體 或鎂合金熔體，.鎂合金的組成為鎂和鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、鈣等元 素的一種或多種，其中鎂元素的質(zhì)量百分比濃度大于80%,其他元素的總質(zhì) 量百分比濃度小于20%。
本實(shí)施例中，碳納米管1優(yōu)選為單壁碳納米管，其直徑為20nm-30nm,長(zhǎng)度為3/mi-4/xm,鎂熔體2為純鎂熔體。
(二) 將上述混合漿料注入模具中，得到一預(yù)制體。 在保護(hù)氣體存在的氛圍下，迅速將上述混合漿料依次注入到多個(gè)相同形
狀模具中，在保護(hù)氣體存在下冷卻該混合漿料。 一段時(shí)間后，該混合漿料凝 固形成若干個(gè)固定形狀的預(yù)制體，將該預(yù)制體從模具中取出。 所述保護(hù)氣體為惰性氣體或氮?dú)?，本?shí)施例優(yōu)選為氮?dú)狻?所述固定形狀的預(yù)制體為扁鑄錠6，所述扁鑄錠6的直徑為5-10厘米， 厚度為0.1-1厘米。所制造的扁鑄錠6的個(gè)數(shù)與扁鑄錠的直徑和混合漿料的 量有關(guān)。本實(shí)施例中，扁鑄錠6的直徑為8厘米，厚度為0.5厘米，所制備 的扁鑄錠6的個(gè)數(shù)為6個(gè)。
由于扁鑄錠6的比表面積較大，因此散熱較快，可以以較快的速度凝固， 因此碳納米管1在扁鑄錠6中的分散狀態(tài)與其在混合漿料中的分散狀態(tài)相 近，不會(huì)因?yàn)槟虝r(shí)間較長(zhǎng)發(fā)生沉積或者偏聚等，故碳納米管1在扁鑄錠6 中分布較為均勻。
(三) 將上述預(yù)制體進(jìn)行擠壓成型處理，制得鎂合金-碳納米管復(fù)合材 料10。
將上述預(yù)制體放入一擠出機(jī)中，所述擠出機(jī)為一針筒狀裝置，包括一推 桿7、 一圓柱形擠出通道9及一出口 11。該圓柱形擠出通道9周圍纏繞有加 熱絲8。該預(yù)制體位于擠出機(jī)的圓柱形擠出通道9中，采用加熱絲8將該擠 出機(jī)加熱至300-45(TC，同時(shí)以一定的力量推動(dòng)擠出才幾的推桿7，擠壓預(yù)制 體，將鎂合金-碳納米管復(fù)合材料IO從擠出機(jī)的出口 ll擠出。
本實(shí)施例中，擠出機(jī)的擠出通道9的直徑略大于扁鑄錠6的直徑，使扁 鑄錠6剛好可以放入圓柱形擠出通道9中。設(shè)置在圓柱形擠出通道9周圍的 加熱絲8將擠出機(jī)內(nèi)的扁鑄錠6加熱至400°C ,此時(shí)扁鑄4定6處于觸變形態(tài)， 推桿7對(duì)觸變形態(tài)的扁鑄錠6施加的壓力使扁鑄錠6發(fā)生變形，并從擠出機(jī) 的出口 ll處被擠出，形成一預(yù)定形狀的鎂合金-碳納米管復(fù)合材料10。該鎂 合金-碳納米管復(fù)合材料10的形狀與擠出機(jī)出口 11的形狀有關(guān)，本實(shí)施例中 擠出機(jī)出口 11的橫截面為一長(zhǎng)方形，故鎂合金-碳納米管復(fù)合材料10的形狀 為一長(zhǎng)方體。
在上述擠壓過(guò)程中，由于擠出機(jī)出口 11的橫截面積相對(duì)于圓柱形擠出通道9的橫截面積較小，故扁鑄錠6需經(jīng)過(guò)變形才可從擠出機(jī)出口 11被擠 出，在扁鑄4t6變形的過(guò)程中，不同的扁鑄錠6和扁鑄4定6的不同部分會(huì)相 互混合，形成一觸變形態(tài)的混合物，碳納米管1在該混合物中經(jīng)再次分配， 分散更加均勾，故制得的鎂合金-碳納米管復(fù)合材料10具有強(qiáng)度高和韌性好 的優(yōu)點(diǎn)，且由于鎂合金-碳納米管復(fù)合材料IO經(jīng)過(guò)擠壓的方法制得，在擠壓 過(guò)程中，需對(duì)鎂合金-碳納米管復(fù)合材料IO施加較大的壓力，因此制得的鎂 合金-碳納米管復(fù)合材料10具有較高的致密性，可廣泛地應(yīng)用于3C產(chǎn)品、 汽車零部件、航天航空零部件等方面。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，當(dāng)然，這些 依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其包括以下步驟提供鎂熔體和大量的碳納米管，將鎂熔體和碳納米管混合得到一混合漿料；將上述混合漿料注入模具中，得到一預(yù)制體；以及將上述預(yù)制體進(jìn)行擠壓成型處理，制得鎂合金-碳納米管復(fù)合材料。
2. 如權(quán)利要求l所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 〃暖納米管為單壁^f友納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管或其任意組合的混 合物。
3. 如權(quán)利要求l所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 碳納米管的直徑為1.0-150納米，長(zhǎng)度為1-10微米。
4. 如權(quán)利要求l所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 碳納米管在混合漿料中所占的質(zhì)量百分比濃度為1%-5%，所述鎂熔體在混 合漿料中所占的質(zhì)量百分比濃度為95%-99%。
5. 如權(quán)利要求l所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 鎂熔體為純鎂熔體或鎂合金熔體。
6. 如權(quán)利要求5所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 鎂合金由鎂和鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、鈣等元素的一種或多種組成。
7. 如權(quán)利要求6所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 鎂合金中，鎂的質(zhì)量百分比濃度大于80%。
8. 如權(quán)利要求1所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 預(yù)制體為扁鑄錠。
9. 如權(quán)利要求8所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 扁鑄錠直徑為5-10厘米，厚度為0.1-1厘米。
10. 如權(quán)利要求1所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 將鎂熔體和碳納米管混合得一混合漿料的方法具體包括以下步驟將鎂熔體 置于一容器中，并保持550-750。C的溫度；將碳納米管緩慢加入上述容器中， 形成一混合漿料；同時(shí)對(duì)混合漿料進(jìn)行機(jī)械攪拌。
11. 如權(quán)利要求1所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 預(yù)制體的制備方法具體包括以下步驟在保護(hù)氣體存在的情況下，將混合漿料注入預(yù)制體形狀的模具中；冷卻一段時(shí)間后，混合漿料凝固形成固態(tài)的預(yù) 制體。
12. 如權(quán)利要求ll所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 保護(hù)氣體為惰性氣體或氮?dú)狻?br> 13. 如權(quán)利要求l所述鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，所述 擠壓成型具體包括以下步驟將上述預(yù)制體置于一擠出機(jī)中，將該預(yù)制體加 熱至300-450。C;對(duì)預(yù)制體施加一定的壓力，使預(yù)制體發(fā)生變形，從該擠出 機(jī)的出口被擠出，形成鎂基-碳納米管復(fù)合材料。
全文摘要
一種鎂基-碳納米管復(fù)合材料的制造方法，其包括以下步驟提供鎂熔體和大量的碳納米管，將鎂熔體和碳納米管混合得到一混合漿料；將上述混合漿料注入模具中，得到一預(yù)制體；以及，將上述預(yù)制體進(jìn)行擠壓成型處理，制得鎂合金-碳納米管復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C47/08GK101435059SQ200710124548
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2007年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者李文珍, 杜青春, 許光良, 陳正士, 陳錦修 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司