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        CNTs增強鎂基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

        2014-12-22 18:21:49楊林沖王坦張永超陳杰趙廣治張保豐
        創(chuàng)新科技 2014年2期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料研究

        楊林沖 王坦 張永超 陳杰 趙廣治 張保豐

        (黃河科技學(xué)院,河南 鄭州450063)

        CNTs增強鎂基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

        楊林沖 王坦 張永超 陳杰 趙廣治 張保豐

        (黃河科技學(xué)院,河南 鄭州450063)

        本文綜述了碳納米管增強鎂基復(fù)合材料的制備方法和研究現(xiàn)狀,介紹了目前常用的熔體攪拌法、消失模鑄造法、粉末冶金法、熔體浸滲法和預(yù)制塊鑄造法等制備方法的原理和制備技術(shù)。

        CNTs;鎂基;復(fù)合材料;制備方法

        鎂及鎂合金具有密度低,比強度、比剛度高,鑄造性能和切削加工性好等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、通訊、光學(xué)儀器和計算機制造業(yè)。但鎂合金強度低,耐腐蝕性能差嚴(yán)重阻礙其廣泛應(yīng)用。

        碳納米管不僅具有極高的強度、韌性和彈性模量,而且具有良好的導(dǎo)電性能,還是目前最好的導(dǎo)熱材料。這些獨特的性能使之特別適宜作為復(fù)合材料的納米增強相。近年來,碳納米管作為金屬的增強材料來強度、硬度、耐摩擦、磨損性能以及熱穩(wěn)定性等方面發(fā)揮了重要作用。

        近些年,鎂基復(fù)合材料成為了金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的新興研究熱點之一,碳納米管增強鎂基復(fù)合材料的研究也逐漸成為材料學(xué)者研究重點之一。本文就目前有關(guān)碳納米管增強鎂基合金復(fù)合材料的制備技術(shù)做綜述,以供研究者參考。

        1 熔體攪拌法

        熔體攪拌法是通過機械或電磁攪拌使增強相充分彌散到基體熔體中,最終凝固成形的工藝方法。主要原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器攪動金屬熔體,將CNTS加入到熔體漩渦中,依靠漩渦的負壓抽吸作用使CNTS進入金屬熔體中,并隨著熔體的強烈流動迅速擴散[1]。

        周國華[2]等人采用攪拌鑄造法制備了CNTs/AM60鎂基復(fù)合材料。研究采用機械攪拌法,在精煉處理后,在機械攪拌過程下不斷加入碳納米管到鎂熔體中,攪拌時間20min,然后采用真空吸鑄法制得拉伸試樣。研究結(jié)果顯示,碳納米管具有細化鎂合金組織的作用,在拉伸過程中,能夠起到搭接晶粒和承載變形抗力的作用。

        C.S.Goh[3]等采用攪拌鑄造法制備了CNTS/Mg基復(fù)合材料時,金屬熔化后采用攪拌槳以450r/min的轉(zhuǎn)速攪拌,然后用氬氣噴槍將熔體均勻地噴射沉積到基板上,從而制得CNTS/Mg基復(fù)合材料。力學(xué)性能測試表明,復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能。

        李四年[4]等人采用液態(tài)攪拌鑄造法制備了CNTS/Mg基復(fù)合材料。CNTS加入前首先經(jīng)過了化學(xué)鍍鎳處理,研究采用了正交實驗,考察了CNTS加入量、加入溫度和攪拌時間對復(fù)合材料組織和性能的影響。研究結(jié)果表表明,CNTS加入量在1.0%、加熱溫度在680℃、攪拌3min時,能獲得綜合性能較好的復(fù)合材料。

        攪拌鑄造法優(yōu)點是工藝簡單、成本低、操作簡單,因此在研究CNTS增強鎂基復(fù)合材料方面得到廣泛應(yīng)用。但攪拌鑄造法在熔煉和澆鑄時,金屬鎂液容易氧化,CNTS均勻地分散到基體中也存在一定難度。

        2 消失模鑄造法

        消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型黏結(jié)組合成模型簇,刷涂耐火涂料并烘干后,埋在干石英砂中振動造型,在負壓下澆注,使模型氣化,液體金屬占據(jù)模型位置,凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。

        周國華[5]等人就通過消失模鑄造法制備CNTs/ZM5鎂合金復(fù)合材料。將PVC母粒加入到二甲苯中溶解,把CNTs加入上述溶液中超聲分散10min后過濾、靜置20h,裝入發(fā)泡模具發(fā)泡成型,用線切割機加工制得消失模。把制得的含碳納米管的消失模具放入砂箱內(nèi),填滿砂并緊實,將自行配制的ZM5鎂合金熔體澆注制得復(fù)合材料。實驗結(jié)果表明,碳納米管對鎂合金有較強的增強效果,對ZM5合金的晶粒有明顯的細化作用。

        3 粉末冶金法

        粉末冶金法是把CNTS與鎂合金基體粉末進行機械混合,通過模壓等方法制坯,然后加入到合金兩相區(qū)進行燒結(jié)成型的一種成型工藝。粉末冶金法的優(yōu)點在于合金成分體積分數(shù)可任意配比而且分布比較均勻,可以避免在鑄造過程中產(chǎn)生的成分偏析現(xiàn)象,而且由于燒結(jié)溫度是在合金兩相區(qū)進行,能夠避免由于高溫產(chǎn)生的氧化等問題。

        沈金龍[6]等人采用粉末冶金的方法制備了多壁碳納米管增強鎂基復(fù)合材料。試驗采用CCl4作為分散劑將鎂粉和CNTS混合,在室溫下將混合粉末采用雙向壓制成型后進行真空燒結(jié),制成碳納米/強鎂基復(fù)合材料。研究結(jié)果表明:碳納米管提高了復(fù)合材料的硬度和強度,鎂基復(fù)合材料的強化主要來自增強體的強化作用、細晶強化和析出強化。

        Carreno-Morelli[7]等利用真空熱壓燒結(jié)粉末冶金法制備了碳納米管增強鎂基復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)CNTs含量為2%時,復(fù)合材料的彈性模量提高9%。

        楊益利用利用粉末冶金法,制備了碳納米管增強鎂基復(fù)合材料,研究了碳納米管制備工藝和含量對復(fù)合材料組織和性能的影響。研究采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù),通過研究發(fā)現(xiàn),在熱壓溫度為600℃、保壓時間20min、保壓壓力在20MPa、CNTS含量為1.0%時,制得的復(fù)合材料具有強度最高值。TEM分析CNTS與鎂基體結(jié)合良好,增強機理主要有復(fù)合強化、橋連強化和細晶強化。

        4 熔體浸滲法

        熔體浸滲法是先把增強相預(yù)制成形,然后將合金熔體傾入,在熔體的毛細現(xiàn)象作用下或者一定的壓力下使其浸滲到預(yù)制體間隙而達到復(fù)合化的目的。按施壓方式可以分為壓力浸滲、無壓浸摻和負壓浸滲三種。

        Shimizu等采用無壓滲透的方法制備了碳納米管增強鎂基復(fù)合材料,隨后進行了熱擠壓,力學(xué)性能測試顯示,抗拉強度達到了388MPa、韌性提高了5%。

        5 預(yù)制塊鑄造法

        周國華等人采用碳納米管預(yù)制塊鑄造法制備了CNTS/AZ91鎂基復(fù)合材料。將AL粉、Zn粉、CNTs按比例混合分散后,用50目不銹鋼網(wǎng)篩過濾后在模具中壓制成預(yù)制塊。然后利用鐘罩將預(yù)制塊壓入鎂熔體并緩慢攪拌至預(yù)制塊完全溶解,采用真空吸鑄法制得復(fù)合材料試樣。研究結(jié)果表明,預(yù)制塊鑄造法能夠使CNTs均勻分散到鎂合金熔體中,復(fù)合材料的晶粒組織得到細化,力學(xué)性能明顯提高。

        6 結(jié)語

        近年來,CNTs在增強鎂基復(fù)合材料的研究越來越多,目前存在的主要問題是CNTs的分散和與基體界面的結(jié)合等問題。由于但碳納米管具有高的比表面能,使其在與其他材料的復(fù)合過程中易形成團聚,導(dǎo)致復(fù)合材料性能不甚理想,最終起不到納米增強相的效果,同時碳納米管屬輕質(zhì)納米纖維,與各類金屬的比重相差太大,不易復(fù)合。目前有關(guān)碳納米管增強鎂基合金復(fù)合材料的研究還處于初期階段,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,新工藝和新方法不斷出現(xiàn),CNTs的分散及與基體的界面結(jié)合等問題將逐漸被解決,開發(fā)出性能優(yōu)異的CNTs/Mg基復(fù)合材料將有著重要的意義。

        [1]張玉龍.先進復(fù)合材料制造技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003

        [2]周國華,曾效舒,袁秋紅.鑄造法制備CNTS/AM60鎂基復(fù)合材料的研究[J].鑄造,2009,58(1):43-46.

        [3]GohCS,WeiJ,etal.Ductilityimprovementandfatigue studiesinMg-CNTnano-composites[J].ComposSci.Techn,2008,68:1432.

        [4]李四年,宋守志,余天慶等.鑄造法制備納米碳管增強鎂基復(fù)合材料[J].特種鑄造及有色合金,2005,25(5):313-315.

        [5]周國華,曾效舒,袁秋紅等.消失模鑄造法制備CNTS/ZM5鎂合金復(fù)合材料的研究[J].熱加工工藝,2008,37(9):11-14.

        [6]沈金龍,李四年,余天慶等.粉末冶金法制備鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能和增強機理研究[J].鑄造技術(shù),2005,26(4):309-312.

        [7]Carreno-MorelliE,YangJ,etal.Carbonnanotube/magnesiumcomposites[J].PhysStatusSolidiA,2004,201(8):53.

        [8]楊益.碳納米管增強鎂基復(fù)合材料的制備與性能研究[D].北京:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文,2006.

        TB331

        A

        1671-0037(2014)01-66-1.5

        2013年12月12日。

        鄭州市科技攻關(guān)項目(20130839),黃河科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐訓(xùn)練計劃項目(2013XSCX025)。

        楊林沖(1991-),本科生,黃河科技學(xué)院工學(xué)院。

        張保豐(1979-),副教授,研究方向:新材料加工及制備技術(shù)。

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