楊梅

摘要：隨著我國經(jīng)濟在快速發(fā)展，社會在不斷進步，在碳納米管增強鎂基（CNTs/Mg）復(fù)合材料制備過程中，碳納米管間極易因范德華力團聚，且碳和鎂浸潤性差，因此，研究碳納米管的均勻分散和良好的界面結(jié)合對CNTs/Mg復(fù)合材料的應(yīng)用具有重要意義。本文綜述了碳納米管增強鎂基（CNTs/Mg）復(fù)合材料的制備工藝進展和近年來國內(nèi)外學(xué)者在改善界面結(jié)合與碳納米管化學(xué)鍍層方面的研究成果，總結(jié)了鎂基復(fù)合材料的界面增強機制，并展望了CNTs/Mg復(fù)合材料未來的界面研究發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：碳納米管;鎂基復(fù)合材料;制備方法;界面研究;界面增強機制

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展以及環(huán)境問題的凸顯，現(xiàn)代社會對高比強度和高比彈性模量的新型材料需求也越來越迫切。鎂合金由于低密度、高比強度以及切削加工性能好，被認(rèn)為是最具有潛力的新一代結(jié)構(gòu)功能材料。由于鎂合金強度相對較低，尚不能滿足大量工業(yè)應(yīng)用，而鎂基復(fù)合材料可以在提高強度的同時不降低塑性，因而在航空航天、汽車制造、石油化工等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。在復(fù)合材料領(lǐng)域，增強體的選擇是影響綜合性能最為關(guān)鍵的因素之一。目前，已經(jīng)獲得廣泛研究的增強體有SiC顆粒、SiC晶、碳纖維、碳納米管（CNTs）等。在眾多增強體中，CNTs具有諸多優(yōu)異的性能，其作為增強體的復(fù)合材料在性能上有很大的提升，被認(rèn)為是最有潛力的增強相之一。制備的CNTs增強鈦基復(fù)合材料，其硬度由純鈦的221HV提升至1216HV，楊氏模量由120GPa提升至198GPa。在鋁合金中加入CNTs后，屈服強度上升了42.9%。由于CNTs極易出現(xiàn)團聚而影響復(fù)合材料的性能，所以要制備出性能突出的復(fù)合材料，應(yīng)采用新型制備方法，使CNTs在基體中分布均勻。本文主要介紹國內(nèi)外CNTs增強鎂基復(fù)合材料所采用的新型制備方法，隨后對材料的力學(xué)性能、物理性能等作相應(yīng)介紹，最后對復(fù)合材料的制備趨勢進行展望。

1碳納米管增強鎂基復(fù)合材料的研究狀況

采用攪拌鑄造的方法制成了碳納米管增強鎂基復(fù)合材料，測試了力學(xué)性能，觀察和分析了顯微組織。同時，用TEM和EDS方法對碳納米管涂覆層的界面結(jié)構(gòu)和成分進行了分析。試驗結(jié)果表明：采用化學(xué)鍍鎳處理，可在碳納米管表面獲得均勻且結(jié)合力較強的涂覆層，從而改善碳納米管和基體之間的潤濕和結(jié)合狀況。試驗結(jié)果表明碳納米管對鎂基材料具有較好的增強效果，尤其是經(jīng)過涂覆處理的碳納米管，其增強效果更明顯。在其試驗條件下，碳納米管能細(xì)化晶粒組織，提高復(fù)合材料的抗拉強度、伸長率、硬度和彈性模量。但是，其實驗結(jié)果也同時顯示碳納米管的加入量不能超過1070。否則，因碳納米管難以分散而使復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅下降。采用攪拌鑄造法制備了CNTs/AM60鎂基復(fù)合材料。研究了攪拌法加入碳納米管的工藝特點，測試了復(fù)合材料的力學(xué)性能，并利用掃描電子顯微鏡和能譜分析對復(fù)合材料的斷口形貌進行了觀察和分析。研究結(jié)果表明，碳納米管能細(xì)化復(fù)合材料晶粒組織，且起搭接晶粒和承載變形抗力作用。與基體合金相比，復(fù)合材料抗拉強度、彈性模量、顯微硬度顯著增加，延伸率最大可提高74.52%，但是碳納米管加入量過多會導(dǎo)致偏聚，使復(fù)合材料力學(xué)性能下降。

2碳納米管增強鎂基復(fù)合材料制備及界面研究

2.1碳納米管和鎂的機械結(jié)合

機械結(jié)合是指通過增強體和基體之間的收縮摩擦力產(chǎn)生的界面結(jié)合，由于CNTs極大的表面積使機械結(jié)合成為最直接，也是主要的界面結(jié)合方式。通常碳納米管與鎂之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，良好分散的CNTs/Mg復(fù)合材料界面處結(jié)合較好，其強度和彈性模量也得到提高。通過球磨法將Mg粉細(xì)化并與CNTs進行混合，真空熱壓燒結(jié)和熱擠壓制備了分散均勻的CNTs/Mg復(fù)合材料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%-CNTs/Mg復(fù)合材料彈性模量達到55GPa，相比于基體提高了37.5%。將CNTs和Mg-6Zn合金屑混合攪拌并超聲熔煉，再通過液固態(tài)擠壓的方法制備了CNTs/Mg復(fù)合材料，可以觀察到界面無產(chǎn)物生成，在液固態(tài)擠壓作用下，CNTs和Mg界面結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)孔隙等缺陷，復(fù)合材料的強度和彈性模量相較基體均得到提升，尤其是彈性模量相比于基體提高了48%之多。

2.2儲氫性能

氫是未來可能取代煤炭和石油的新一代能源，關(guān)于氫的存貯介質(zhì)備受矚目。鎂合金有很高的儲氫量，可達到大約7.8wt%。研究發(fā)現(xiàn)納米尺寸的鎂吸收氫的速率很快，儲氫性能變好，原因是晶界面積增大使儲氫量上升。在鎂合金中加入碳納米管可以有效減小晶粒尺寸，這為提升儲氫量奠定了很好的基礎(chǔ)。最近，研究了PM方法制備的CNTs增強鎂基復(fù)合材料的儲氫性能，發(fā)現(xiàn)加入Ni和CNTs之后的復(fù)合材料的儲氫量相對于合金有了很明顯的提高，但是不加入Ni的復(fù)合材料的儲氫性能與純鎂幾乎沒有差距，他們推測新相Mg2Ni和碳納米管共同作用促進了材料對氫的吸收。雖然上述方法對鎂合金儲氫性能有明顯的改良作用，但關(guān)于復(fù)合材料的儲氫機制還應(yīng)做進一步研究。

2.3Ni/Mg催化合成CNTs

鎳是工業(yè)生產(chǎn)中常用的催化劑，也是合成CNTs的主要催化劑。沉積沉淀法是制備催化劑前驅(qū)體的普遍方法，相對于其他工藝，它能使催化劑更均勻的分布在基體上，且可達到納米尺度，為CNTs的生長奠定基礎(chǔ)。催化劑鎳的含量為10%時，以甲烷為碳源能夠在鎂粉上成功合成CNTs，但考慮到過高的鎳含量對后期復(fù)合材料性能的影響較大，因此需要找出一個能夠合成CNTs的催化劑的最低含量，以確定鎳作為催化劑是否適合制備鎂基復(fù)合材料。用同樣的方法分別配制Ni含量3%，5%，7%，10%，15%的催化劑前驅(qū)體，并經(jīng)過相同的鍛燒、還原、生長工藝來制備CNTs/Mg復(fù)合粉末。

2.4化學(xué)鍍層與界面潤濕結(jié)合研究

碳納米管和Mg不發(fā)生反應(yīng)，通常界面干凈無穩(wěn)定界面產(chǎn)物，但容易因C-Mg不潤濕產(chǎn)生界面缺陷;界面反應(yīng)可以增強界面結(jié)合力，但界面反應(yīng)較難控制，且會對CNTs的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。碳納米管表面改性可以解決這個問題。碳納米管的表面化學(xué)改性方法較多，主要包括：表面化學(xué)鍍、氣相沉積、高能束流輻照等。其中，化學(xué)鍍具有工藝操作簡便，鍍層均勻無孔洞等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種金屬和非金屬的表面鍍層。在碳納米管表面進行化學(xué)鍍最早是在1996年由Ebbesen等首次提出，此后被國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用。

結(jié)語

CNTs增強鎂基復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能，可望在汽車和航空航天工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用。優(yōu)質(zhì)高效的CNTs增強鎂基復(fù)合材料的制備方法及復(fù)合材料性能的研究，正受到國內(nèi)外材料工作者越來越多的關(guān)注。根據(jù)對新型CNTs增強鎂基復(fù)合材料制備技術(shù)的分析，可以總結(jié)出當(dāng)前制備技術(shù)的發(fā)展趨勢：一是制備過程優(yōu)化及簡化，使獲得優(yōu)良性能的復(fù)合材料更加便捷;二是對復(fù)合材料物理性能的探索。在保證其優(yōu)異力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，對其物理性能進行探索，揭示性能變化機制，為制備結(jié)構(gòu)與功能一體化的復(fù)合材料奠定基礎(chǔ)。相信隨著將來對CNTs增強鎂基復(fù)合材料研究的深入，它將會廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

參考文獻：

[1]? 陳亞光，蔡曉蘭，王開軍，等.碳納米管增強鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].材料導(dǎo)報，2012，26（11）：110-112.

[2]? 徐強，曾效舒，周國華.鐘罩浸塊鑄造法制備的CNTs/AZ31鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報，2010，20（2）：189-194.

[3]? 武璽旺，肖建中，夏風(fēng)，等.碳納米管的分散方法與分散機理[J].材料導(dǎo)報，2011，25（9）：16-19.

（作者單位：清華大學(xué)天津高端裝備研究院）