碳纳米管镁基复合材料应用及发展研究

2018-07-13 17:59:37 作者：潘强，等来源：新材料产业分享至：

生活中有许多常见的复合材料，传统的复合材料有钢筋混凝土、玻璃钢鱼竿、一体成型的鞋子、用于开关绝缘的合成树脂等。新型复合材料是具有更高性能的材料，具有比强度高、比模量高、密度低等特性，它包括用碳、芳纶、陶瓷等纤维和晶体等高性能增强体与耐热性好的热固性和热塑性树脂基构成的高性能聚合物复合材料。研究镁合金复合材料的实际应用具有重大意义。

复合材料是应现代科学技术发展而涌现出的一类具有极大生命力的新材料，从20世纪70年代至今，其中镁基复合材料已经成为金属基复合材料领域的重要研究热点。镁基复合材料受到航空航天、汽车、机械以及电子等领域的重视，在新型高新技术应用领域比传统单一金属和铝基复合材料有更大的市场应用潜力和价值。

一、概述

镁呈银白色，熔点649℃，质轻，密度为1.74g/cm3，约为铜（Cu）的1/4、铝（Al）的2/3；其化学活性强，与氧的亲合力大，常用做还原剂。粉状或细条状的镁，在空气中易燃烧，燃烧时发出眩目的白光，但极易溶解于有机和无机酸中。镁能直接与氮、硫和卤素等化合。金属镁无磁性，且有良好的热消散性，质软、熔点较低。

镁合金是最轻的结构材料之一，有着其他金属不可比拟的优越性。镁及镁合金具有的特殊性能如密度低、比强度和比刚度高、减振性好、电磁屏蔽性能优异、切削加工性和热成形性好等，使其在移动通信、手提计算机等的壳体结构件上以及在汽车、电子、电器、航空航天、国防军工、交通等领域都具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

二、镁合金复合材料的研究现状

镁基复合材料的主要特点是低密度、高比强度和比刚度、良好的耐磨性、良好的耐高温性、良好的耐冲击性、优良的减震性、良好的尺寸稳定性、良好的铸造性以及优异的电磁屏蔽性能等。由于存在低熔点、高化学活性、易燃、易氧化等特点，有关适合镁基复合材料的制备工艺一直以来是人们研究和解决的一大热点。因为镁的熔点接近于铝的熔点，所以很多的制备方法都是在铝基复合材料的研究基础上进行推广和改进的。比较传统的方法有普通铸造法、搅拌铸造法、挤压铸造法和粉末冶金法，此外又出现了许多比较新型的制备方法，如机械合金化法、熔体浸渗法、喷射沉积法、自蔓延高温合成法、重熔稀释法和反复塑性变形法等[8]。近年来，准晶、碳纤维和石墨烯等新型增强体研究取得了较大进展，增强体与镁及镁合金之间的界面润湿性问题也通过不同工艺被逐渐解决，这为镁基复合材料的研究人员带来了新的灵感。

青海大学的韩丽等采用溶胶-凝胶法制备了氧化铜（CuO）涂覆硼酸镁（Mg2B2O5）晶须增强镁基复合材料并对其界面结构进行了研究，发现CuO 涂覆可以改善界面处的结合强度，材料的抗拉强度和断后伸长率相较于未涂覆前分别提高了 37.6%和 35.7%。李坤等也采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面制备出了均匀且无裂纹的二氧化硅（SiO2）涂层，进而制备得到了SiO2涂覆碳纤维增强镁基复合材料，分析发现虽然复合材料的极限拉伸强度值只有527MPa，远远偏离了理论值，但是碳纤维表面的SiO2涂层可明显促进液态镁对碳纤维的润湿。通过液态超声结合固态搅拌的方法成功制备出了块体石墨烯颗粒增强镁基复合材料，石墨烯在基体中分布均匀，复合材料的性能强化明显，1.2%石墨烯复合材料的显微硬度可达 66kg/mm2，比相同工艺条件下纯镁的性能提升了78%。

三、碳纳米管/镁基复合材料的研究现状

伴随镁合金研究热潮的不断推进，基于碳纳米管优良的物理化学性能，人们也试图将碳纳米管引入到金属基复合材料中，期望利用其某一或某些特性对金属基体的性能进行强化。目前，诸多文献已提到用碳纳米管来强化Al、Cu、镍（Ni）等金属基体，且碳纳米管对以上金属基体都能起到良好的强化作用。

1.碳纳米管的结构与性能

碳纳米管是一种具有完整分子结构的新型碳结钢，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径平均为2～20nm，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管作为一维材料，六边形结构连接完美，具有许多优良的力学、电学和化学性能。近年来，随着碳纳米管的深入研究，其广阔的应用前景也不断的展现出来。

碳纳米管主要具有以下性能：①力学性能：高强度、韧性好、伸长率大、低密度，它是理想的增强体[13]；②热学性能：单理论导热率高达6 600 W/（m·K），在实验过程中达到3 215 W/（m·K）；③电学性能：具有接近金属的电导率，可以成为半导体的上佳材料；④磁学性能：它的吸波性能显著，频带宽；⑤储氢性能：因为碳纳米的中空结构，理论储氢量重量比达到了15%。

2.碳纳米管/镁基复合材料的研究现状

在镁基体中添加碳纳米管作为增强体是一种以不增加镁合金比例为前提，并且能有效改善镁合金线性膨胀热稳定性，提高合金抗拉强度的可行方法。但由于镁本身的化学性质较活泼，很容易在制备过程中发生化学反应，因此对于以镁或镁合金作为基体的复合材料而言，应严格控制制备过程中的工艺参数，防止界面处的不良反应。目前，镁基复合材料的制备工艺还有待于改进和完善，其准确的复合机理、界面处的强化机制等建设性的研究还不全面。对碳纳米管增强镁基复合材料而言，碳纳米管在镁基体中的形态为片状，因此关于这方面的研究将又是一种新的方向。

碳纳米管作为增强相对镁或者镁合金进行改性，所得到的镁基复合材料具有高强度、耐腐蚀性和耐磨性等优点，碳纳米管镁基复合材料已经在很多领域得到了广泛的应用。使用搅拌铸造法选用镀镍多壁碳纳米管制备镁基复合材料，研究发现凝固过程中碳纳米管成为非均结晶体的晶核，可以引起晶粒细化，同时提高碳纳米管与基体的结合度，复合材料的弹性模量和抗拉强度与基体相比都有所提高。Y.Shimizu等人采用粉末冶金法制备了碳纳米管增强AZ91D镁基复合材料，当碳纳米管加入量为1.0％（质量分数）时，复合材料的抗拉强度达到388MPa。Qianqian Li等人制备的碳纳米管增强镁基复合材料力学性能得到明显提高。由此可见，碳纳米管镁基复合材料不仅可以细化晶粒提高力学性能，而且还可以提高抗腐蚀性能，碳纳米管镁基复合材料为工程材料的选择提供了一个广阔的领域。

四、碳纳米管/镁基复合材料存在的问题

由于镁本身的化学性质较活泼，很容易在制备过程中发生化学反应，因此对于以镁或镁合金作为基体的复合材料而言，应严格控制制备过程中的工艺参数，防止界面处的不良反应。

目前，由于镁及镁合金存在强度低、模量小、塑性差和易腐性等缺点，镁基复合材料的制备工艺还有待于改进和完善，其准确的复合机理、界面处的强化机制等建设性的研究还不全面。

碳纳米管镁基复合材料制备过程中面临2个最大的挑战：碳纳米管的均匀分散以及与基体的润湿性较差。由于碳纳米管比表面积较大，表面能较高，因此具有很强的团聚倾向。碳纳米管大多数金属不润湿，因此与金属基体之间很难形成较牢固的结合界面。

五、结语

目前，有关碳纳米管增强镁基复合材料方面的研究已有很多，但是如果从碳纳米管和镁合金各自方面加以深刻研究，再综合两者的优点加以优化，必将取得非常好的效果，鉴于目前的研究，笔者认为，在以后碳纳米管/镁基复合材料的研究将主要朝以下方向发展：

第一，研究碳纳米管和镁基复合材料热力学及动力学的计算机模拟技术，这样不仅可以给生产带来方便和效益，同时为更多科研工作者提供很好的平台。

第二，深入研究碳纳米和镁基复合材料的界面行为以获得界面良好的复合材料。

第三，进行制备工艺、复合材料再生与回收技术已经材料内部结构性能的各个领域更多的原理研究与应用探索。

第四，用于空间及交通、储氢材料和老年人辅助工具超轻结构材料的研究。

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责任编辑：殷鹏飞