碳纳米管镁基复合材料应用现状与发展前景

□潘 强□陈广军 □潘会平 □刘永利 □刘尔玺□杨 华

1兰州兰石能源装备工程研究院 兰州 730314

2中国石油兰州石化公司 石油化工厂 兰州 730060

1 镁基复合材料概述

镁基复合材料受到航空航天、汽车、机械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与价值[1]。复合材料是随现代科学技术发展而涌现出的一类新材料，20世纪70年代以来，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[2]。

镁合金是最轻的结构材料之一。镁及镁基材料由于具有一些特殊性能，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优良等，在移动通信设备、便携式计算机等产品的壳体结构件，以及汽车、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[3]。

2 镁基复合材料的发展前景

随着金属合金研究热潮的不断推进，加之人们对碳纳米管优良物理化学性能的认识，人们开始尝试将碳纳米管引入金属基复合材料中，期望利用碳纳米管的特性对金属基体性能进行强化。目前，诸多文献已提到用碳纳米管来强化铝、铜、镍等金属基体[4]。在镁基体中添加碳纳米管作为增强体，以不增大镁合金质量分数为前提，能有效改善镁合金线性膨胀热稳定性，提高合金抗拉强度。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，防止在界面处产生不良反应。目前，镁基复合材料的制备工艺还有待改进和完善，对于其复合机制、界面处强化机制等的研究还不完善[5]，因此，对碳纳米管镁基复合材料的研究将是一个新的研究方向。

3 镁基复合材料研究现状

金属镁呈银白色，熔点为649℃，质量轻，密度为1.74 g/cm3，化学活性强，与氧的亲合力大，常用作还原剂。粉状或细条状的镁，在空气中很容易燃烧，燃烧时发出眩目的白光，且极易溶解于有机和无机酸中。镁能直接与氮、硫、卤素等化合。金属镁无磁性，具有良好的热消散性，质软，熔点较低。

镁基复合材料的主要特点是密度低、比强度和比刚度高，具有耐磨、耐高温、耐冲击、尺寸稳定、易铸造、减振性好和电磁屏蔽优良等性能。由于镁基复合材料具有熔点低、化学活性强、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是人们研究和解决的热点。因为镁的熔点接近于铝的熔点，所以很多镁基复合材料的制备方法都是在铝基复合材料研究的基础上进行推广和改进的。传统的制备方法有普通铸造法、搅拌铸造法、挤压铸造法和粉末冶金法。此外，还有一些新制备方法，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[6]。近年来，由于准晶、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断研究被逐步解决，这为镁基复合材料的研究人员拓展了新空间[7]。

韩丽等[8]采用溶胶-凝胶法制备了氧化铜涂覆硼酸镁晶须增强镁基复合材料，并对其界面结构进行了研究，发现氧化铜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[9]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涂层，进而制备得到了二氧化硅涂覆碳纤维增强镁基复合材料，通过分析发现，虽然复合材料的极限拉伸强度值只有527 MPa，远远偏离了理论值，但是碳纤维表面的二氧化硅涂层可明显促进液态镁对碳纤维的润湿。另一方面，研究人员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[10]。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66 kg/mm2，比相同工艺条件下纯镁的性能提升了78%。

4 碳纳米管概述

4.1 基本结构

碳纳米管是一种具有完整分子结构的新型碳结构，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距离，约为0.34 nm，平均直径为2～20 nm，可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、电学和化学特性。近年来，随着人们对碳纳米管的研究深入，其广阔的应用前景也不断展现出来[11-12]。

4.2 性能

（1）力学性能。强度高，韧性好，伸长率大，密度低，是理想的增强体。

（2）热学性能。理论导热率为6 600 W/（m·K），在试验过程中可达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。吸波性能显著，频带宽。

5 碳纳米管镁基复合材料研究现状

碳纳米管作为增强相对镁或镁合金进行改性，所得到的镁基复合材料具有强度高、耐腐蚀性强和耐磨性好等优点。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，在其凝固过程中确认碳纳米管成为非均结晶体的晶核，可以对晶粒起到细化作用，同时能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[13-14]。研究人员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（质量百分比）为1.0%时，复合材料的抗拉强度达到388 MPa[15]。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，而且能够提高抗腐蚀性能。

6 制备碳纳米管镁基复合材料存在的问题

碳纳米管镁基复合材料在制备过程中面临两大挑战：碳纳米管的均匀分散及与基体的润湿性较差。由于碳纳米管的比表面积较大，表面能较高，因此具有很强的团聚倾向。另一方面，碳纳米管与大多数金属均不润湿，因此与金属基体之间很难形成较牢固的结合界面。

7 未来研究发展

目前，对碳纳米管镁基复合材料的研究已经取得很多成果，今后将主要在以下几个方面对其加强研究。

（1）对碳纳米管和镁基复合材料的热力学及动力学进行计算机模拟技术研究，可以在为生产带来方便和效益的同时，为更多科研工作者提供研究平台。

（2）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。

（3）开展对制备工艺、复合材料再生与回收技术，以及材料内部结构性能等各个领域的研究与应用探索。

（4）利用材料优良的物理、化学性能，不断拓展应用空间。

[1] 豆鹏飞.碳纳米管/陶瓷复合材料的应用研究现状[J].上海建材，2016（5）:15-17.

[2] 陈亚光，蔡晓兰，王开军，等.碳纳米管增强镁基复合材料的研究现状及发展[J].材料导报，2012，26（S2）:110-112.

[3]石刚.镍包覆碳纳米管及其增强镁基复合材料的研究[D].兰州：兰州理工大学，2012.

[4]郭铁波，杨庆祥.碳纳米管复合材料的研究应用现状与展望[J].燕山大学学报，2006，30（1）:30-33.

[5]周国华.碳纳米管/AZ31镁基复合材料的制备与等径角挤压研究[D].南昌：南昌大学，2010.

[6] 李维学.碳纳米管/镁基复合材料的制备与物性研究[D].兰州：兰州理工大学，2009.

[7]李静.硼掺杂碳纳米管的制备及其在镁基复合材料中的应用[D].天津：天津大学，2011.

[8] 韩丽，金培鹏，陈善华，等.CuO涂覆Mg2B2O5晶须增强镁基复合材料界面结构研究[J].稀有金属材料与工程，2013，42（6）：1221-1225.

[9] 李坤，裴志亮，宫骏，等.碳纤维表面SiO2涂层的制备及其在镁基复合材料中的应用[J].金属学报，2007，43（12）：1282-1286.

[10]陈瑞强.石墨烯增强镁基复合材料的制备及性能研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2016.

[11]戚道华.CNTs/ZM5镁合金复合材料的制备与机械性能研究[D].南昌：南昌大学，2007.

[12]辜萍，王宇，李广海.碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究[J].力学进展，2002，32（4）：563-578.

[13]袁秋红.碳纳米管增强AM60镁基复合材料的研究[D].南昌：南昌大学，2008.

[14]景春明，许敬月，潘强，等.碳纳米管增强镁基复合材料机械性能及组织研究[J].装备机械，2017（3）：19-24.

[15]吴集才.压铸AZ91镁合金/碳纳米管复合材料性能研究[D].南昌：南昌大学，2011.