碳纳米管增强镁基复合材料制备及界面研究进展

杨梅

摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，在碳纳米管增强镁基（CNTs/Mg）复合材料制备过程中，碳纳米管间极易因范德华力团聚，且碳和镁浸润性差，因此，研究碳纳米管的均匀分散和良好的界面结合对CNTs/Mg复合材料的应用具有重要意义。本文综述了碳纳米管增强镁基（CNTs/Mg）复合材料的制备工艺进展和近年来国内外学者在改善界面结合与碳纳米管化学镀层方面的研究成果，总结了镁基复合材料的界面增强机制，并展望了CNTs/Mg复合材料未来的界面研究发展方向。

关键词：碳纳米管;镁基复合材料;制备方法;界面研究;界面增强机制

引言

随着工业的发展以及环境问题的凸显，现代社会对高比强度和高比弹性模量的新型材料需求也越来越迫切。镁合金由于低密度、高比强度以及切削加工性能好，被认为是最具有潜力的新一代结构功能材料。由于镁合金强度相对较低，尚不能满足大量工业应用，而镁基复合材料可以在提高强度的同时不降低塑性，因而在航空航天、汽车制造、石油化工等领域有着巨大的应用潜力。在复合材料领域，增强体的选择是影响综合性能最为关键的因素之一。目前，已经获得广泛研究的增强体有SiC颗粒、SiC晶、碳纤维、碳纳米管（CNTs）等。在众多增强体中，CNTs具有诸多优异的性能，其作为增强体的复合材料在性能上有很大的提升，被认为是最有潜力的增强相之一。制备的CNTs增强钛基复合材料，其硬度由纯钛的221HV提升至1216HV，杨氏模量由120GPa提升至198GPa。在铝合金中加入CNTs后，屈服强度上升了42.9%。由于CNTs极易出现团聚而影响复合材料的性能，所以要制备出性能突出的复合材料，应采用新型制备方法，使CNTs在基体中分布均匀。本文主要介绍国内外CNTs增强镁基复合材料所采用的新型制备方法，随后对材料的力学性能、物理性能等作相应介绍，最后对复合材料的制备趋势进行展望。

1碳纳米管增强镁基复合材料的研究状况

采用搅拌铸造的方法制成了碳纳米管增强镁基复合材料，测试了力学性能，观察和分析了显微组织。同时，用TEM和EDS方法对碳纳米管涂覆层的界面结构和成分进行了分析。试验结果表明：采用化学镀镍处理，可在碳纳米管表面获得均匀且结合力较强的涂覆层，从而改善碳纳米管和基体之间的润湿和结合状况。试验结果表明碳纳米管对镁基材料具有较好的增强效果，尤其是经过涂覆处理的碳纳米管，其增强效果更明显。在其试验条件下，碳纳米管能细化晶粒组织，提高复合材料的抗拉强度、伸长率、硬度和弹性模量。但是，其实验结果也同时显示碳纳米管的加入量不能超过1070。否则，因碳纳米管难以分散而使复合材料的力学性能大幅下降。采用搅拌铸造法制备了CNTs/AM60镁基复合材料。研究了搅拌法加入碳纳米管的工艺特点，测试了复合材料的力学性能，并利用扫描电子显微镜和能谱分析对复合材料的断口形貌进行了观察和分析。研究结果表明，碳纳米管能细化复合材料晶粒组织，且起搭接晶粒和承载变形抗力作用。与基体合金相比，复合材料抗拉强度、弹性模量、显微硬度显著增加，延伸率最大可提高74.52%，但是碳纳米管加入量过多会导致偏聚，使复合材料力学性能下降。

2碳纳米管增强镁基复合材料制备及界面研究

2.1碳纳米管和镁的机械结合

机械结合是指通过增强体和基体之间的收缩摩擦力产生的界面结合，由于CNTs极大的表面积使机械结合成为最直接，也是主要的界面结合方式。通常碳纳米管与镁之间不发生化学反应，因此，良好分散的CNTs/Mg复合材料界面处结合较好，其强度和弹性模量也得到提高。通过球磨法将Mg粉细化并与CNTs进行混合，真空热压烧结和热挤压制备了分散均匀的CNTs/Mg复合材料，质量分数3%-CNTs/Mg复合材料弹性模量达到55GPa，相比于基体提高了37.5%。将CNTs和Mg-6Zn合金屑混合搅拌并超声熔炼，再通过液固态挤压的方法制备了CNTs/Mg复合材料，可以观察到界面无产物生成，在液固态挤压作用下，CNTs和Mg界面结合良好，未发现孔隙等缺陷，复合材料的强度和弹性模量相较基体均得到提升，尤其是弹性模量相比于基体提高了48%之多。

2.2储氢性能

氢是未来可能取代煤炭和石油的新一代能源，关于氢的存贮介质备受瞩目。镁合金有很高的储氢量，可达到大约7.8wt%。研究发现纳米尺寸的镁吸收氢的速率很快，储氢性能变好，原因是晶界面积增大使储氢量上升。在镁合金中加入碳纳米管可以有效减小晶粒尺寸，这为提升储氢量奠定了很好的基础。最近，研究了PM方法制备的CNTs增强镁基复合材料的储氢性能，发现加入Ni和CNTs之后的复合材料的储氢量相对于合金有了很明显的提高，但是不加入Ni的复合材料的储氢性能与纯镁几乎没有差距，他们推测新相Mg2Ni和碳纳米管共同作用促进了材料对氢的吸收。虽然上述方法对镁合金储氢性能有明显的改良作用，但关于复合材料的储氢机制还应做进一步研究。

2.3Ni/Mg催化合成CNTs

镍是工业生产中常用的催化剂，也是合成CNTs的主要催化剂。沉积沉淀法是制备催化剂前驱体的普遍方法，相对于其他工艺，它能使催化剂更均匀的分布在基体上，且可达到纳米尺度，为CNTs的生长奠定基础。催化剂镍的含量为10%时，以甲烷为碳源能够在镁粉上成功合成CNTs，但考虑到过高的镍含量对后期复合材料性能的影响较大，因此需要找出一个能够合成CNTs的催化剂的最低含量，以确定镍作为催化剂是否适合制备镁基复合材料。用同样的方法分别配制Ni含量3%，5%，7%，10%，15%的催化剂前驱体，并经过相同的锻烧、还原、生长工艺来制备CNTs/Mg复合粉末。

2.4化学镀层与界面润湿结合研究

碳纳米管和Mg不发生反应，通常界面干净无稳定界面产物，但容易因C-Mg不润湿产生界面缺陷;界面反应可以增强界面结合力，但界面反应较难控制，且会对CNTs的结构产生损伤。碳纳米管表面改性可以解决这个问题。碳纳米管的表面化学改性方法较多，主要包括：表面化学镀、气相沉积、高能束流辐照等。其中，化学镀具有工艺操作简便，镀层均匀无孔洞等优点，广泛应用于各种金属和非金属的表面镀层。在碳纳米管表面进行化学镀最早是在1996年由Ebbesen等首次提出，此后被国内外学者广泛采用。

结语

CNTs增强镁基复合材料具有优良的综合性能，可望在汽车和航空航天工业上获得广泛应用。优质高效的CNTs增强镁基复合材料的制备方法及复合材料性能的研究，正受到国内外材料工作者越来越多的关注。根据对新型CNTs增强镁基復合材料制备技术的分析，可以总结出当前制备技术的发展趋势：一是制备过程优化及简化，使获得优良性能的复合材料更加便捷;二是对复合材料物理性能的探索。在保证其优异力学性能的基础上，对其物理性能进行探索，揭示性能变化机制，为制备结构与功能一体化的复合材料奠定基础。相信随着将来对CNTs增强镁基复合材料研究的深入，它将会广泛应用于各个领域。

参考文献：

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（作者单位：清华大学天津高端装备研究院）