專利名稱：鎂基-碳納米管復合材料的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合材料的制造方法，尤其涉及一種鎂基-碳納米管復 合材料的制造方法。
背景技術：
鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，鎂的比重是1.74克每立方厘 米(g/cm3),只有鋁的2/3、鈦的2/5、鋼的1/4，具有較高的比強度和比剛度， 且具有吸震降噪性能好、鑄造性能好、儲量豐富、易于回收利用等優(yōu)點，被 譽為"21世紀的綠色工程材料"。因此，鎂合金被廣泛用于航空航天領域、 汽車行業(yè)和信息產業(yè)當中。但是，鑄造鎂合金的絕對強度低、組織較軟、高 溫性能較差等弱點，使得鎂合金僅能用來制造殼類等不能承受較大載荷的零 件。而鎂基復合材料具有更高的比強度、比剛度，同時還具有較好的耐磨性、 耐高溫性能。所以，相比鎂合金，鎂基復合材料具有更大的潛在的應用前景。
目前，主要是采用向鎂基復合材料中加入納米級顆粒增強體的方式提高 鎂基復合材料的強度和韌性。具有納米級晶體的碳纖維或碳納米管等碳納米 材料，其形狀為類似于圓柱形彎曲片材的物質，其中碳原子以六邊形網格形 式排列，具有1.0-150納米(nm)的直徑和最長至100微米(/mi)的長度。這些 材料的抗拉強度為鋼的100倍，密度為1.35g/cm3,膨脹率低、導熱、導電 性及可滑動性能好，是理想的納米晶須增強增韌材料。
向鎂基復合材料中加入上述的納米級顆粒的一種典型工藝是半固態(tài)成 形工藝。半固態(tài)成形工藝主要包括壓鑄和觸變注射成形。由于鎂基復合材料 錠料在二次加熱時易氧化燃燒，因此當前主要采用觸變注射成形工藝制造鎂 基復合材料。采用觸變成形注射工藝制造鎂基復合材料的具體過程如下將 基體切削加工成細顆粒狀，同時加入增強顆粒，將混合物顆粒裝入料斗中， 通入氬氣進行保護，當復合材料顆粒運動到加熱部位時，將部分融熔形成具 有觸變結構的半固態(tài)料，在螺旋體作用下，當其累計到一定的體積時，再被 高速注射到已經被抽空的預熱模具中成形。在整個觸變注射成形的過程中，鎂基復合材料可以像熱塑性塑料一樣流動成形。此過程清潔，安全，原材料 消耗大大減少，沒有熔渣產生，更不需熔煉液態(tài)金屬和澆注等過程，成形件 可達到很高的精度，縮松少，致密度高。
將碳納米管作為鎂基復合材料的增強體可表現出良好的強度和韌性，所 以鎂基-碳納米管復合材料具有極好的綜合機械性能。但是，采用上述的半 固態(tài)成形工藝制造的鎂基-碳納米管復合材料中存在著碳納米管分散不均勻
的問題(i青參見，Development of novel carbon nanotube reinforced magnesium nanocomposites using the powder metallurgy technique, C S Goh et al., Nanotechnology， vol 17， p7(2006))。由于碳納米管在鎂基-碳納米管復合材 料中分散不均勻，從而導致了鎂基-碳納米管復合材料在強度和韌性方面沒 有達到預期的要求。
因此，確有必要提供一種鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，使用該 方法制造的鎂基-碳納米管復合材料中的碳納米管分散均勻，且該鎂基-碳納 米管復合材料具有強度高及韌性好的優(yōu)點。

發(fā)明內容
一種鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其包括以下步驟提供鎂熔 體和大量的碳納米管，將鎂熔體和碳納米管混合得到一混合漿料；將上述混 合漿料注入模具中，得到一預制體；以及，將上述預制體進行擠壓成型處理， 制得鎂合金-碳納米管復合材料。
與現有技術相比較，所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，將熔 體與碳納米管的混合物鑄造成固定形狀后再進行擠壓成形。在擠壓過程中， 該固定形狀的混合物需經過變形，在其變形過程中，碳納米管在混合物中的 分布更加均勻，且，由于擠壓過程需對混合物施加較大的壓力，因此制造的 鎂基-碳納米管復合材料具有較高的致密性。故，本技術方案所提供的鎂基-碳納米管復合材料的制造方法所制造的鎂基-碳納米管復合材料具有強度高 和韌性好的優(yōu)點，可廣泛地應用于3C產品、汽車零部件、航天航空零部件 等方面。且，本發(fā)明所提供的鎂基-碳納米管復合材料的制造方法搡作簡單， 成本低廉，適合批量生產鎂基-碳納米管復合材料。


圖1是本技術方案鎂基-碳納米管復合材料的制造方法的流程圖。 圖2是本技術方案鎂基-碳納米管復合材料的制造過程的示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖及具體實施例，對本技術方案作進一步的詳細說明。 請參閱圖l及圖2，本技術方案實施例提供了一鎂基-碳納米管復合材料
的制造方法，其具體包括以下步驟
( 一 )提供鎂熔體2和大量的碳納米管1，將鎂熔體2和碳納米管1混 合得到一混合漿料。
鎂熔體2為半固態(tài)熔融的熔體，其設置于一容器3中，容器3的內部充 滿保護氣體，以防止鎂熔體2被氧化。將碳納米管1緩慢加入到上述盛有鎂 熔體2的容器3中，在加入的過程中通過攪拌器5不斷對容器3中的熔液進 行機械攪拌，使碳納米管1和鎂熔體2初步混合，得到一混合漿料。所述容 器3周圍纏有加熱絲4，所述加熱絲4使容器3保持在一定溫度，該溫度使 鎂熔體3保持半固態(tài)狀態(tài)。所述溫度的范圍為550-750°C,本實施例優(yōu)選為 700°C。所述保護氣體可選自惰性氣體和氮氣，本實施例中保護氣體優(yōu)選為 為氮氣。
碳納米管1在混合漿料中的質量百分比濃度為1%-5%，鎂熔體2在混合 漿料中的質量百分比濃度為95%-99%,本實施例中，碳納米管1在混合漿料 中的質量百分比濃度優(yōu)選為3%，鎂熔體2在混合漿料中的質量百分比濃度 為97%。
其中，碳納米管1為市場上銷售的普通碳納米管，可以為單壁碳納米管、 雙壁碳納米管、多壁碳納米管或此三種碳納米管任意組合的混合物，碳納米 管1的直徑為1.0nm-150nm，長度在l/mi-10/mi;鎂熔體2可以為純鎂熔體 或鎂合金熔體，.鎂合金的組成為鎂和鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、鈣等元 素的一種或多種，其中鎂元素的質量百分比濃度大于80%,其他元素的總質 量百分比濃度小于20%。
本實施例中，碳納米管1優(yōu)選為單壁碳納米管，其直徑為20nm-30nm,長度為3/mi-4/xm,鎂熔體2為純鎂熔體。
(二) 將上述混合漿料注入模具中，得到一預制體。 在保護氣體存在的氛圍下，迅速將上述混合漿料依次注入到多個相同形
狀模具中，在保護氣體存在下冷卻該混合漿料。 一段時間后，該混合漿料凝 固形成若干個固定形狀的預制體，將該預制體從模具中取出。 所述保護氣體為惰性氣體或氮氣，本實施例優(yōu)選為氮氣。 所述固定形狀的預制體為扁鑄錠6，所述扁鑄錠6的直徑為5-10厘米， 厚度為0.1-1厘米。所制造的扁鑄錠6的個數與扁鑄錠的直徑和混合漿料的 量有關。本實施例中，扁鑄錠6的直徑為8厘米，厚度為0.5厘米，所制備 的扁鑄錠6的個數為6個。
由于扁鑄錠6的比表面積較大，因此散熱較快，可以以較快的速度凝固， 因此碳納米管1在扁鑄錠6中的分散狀態(tài)與其在混合漿料中的分散狀態(tài)相 近，不會因為凝固時間較長發(fā)生沉積或者偏聚等，故碳納米管1在扁鑄錠6 中分布較為均勻。
(三) 將上述預制體進行擠壓成型處理，制得鎂合金-碳納米管復合材 料10。
將上述預制體放入一擠出機中，所述擠出機為一針筒狀裝置，包括一推 桿7、 一圓柱形擠出通道9及一出口 11。該圓柱形擠出通道9周圍纏繞有加 熱絲8。該預制體位于擠出機的圓柱形擠出通道9中，采用加熱絲8將該擠 出機加熱至300-45(TC，同時以一定的力量推動擠出才幾的推桿7，擠壓預制 體，將鎂合金-碳納米管復合材料IO從擠出機的出口 ll擠出。
本實施例中，擠出機的擠出通道9的直徑略大于扁鑄錠6的直徑，使扁 鑄錠6剛好可以放入圓柱形擠出通道9中。設置在圓柱形擠出通道9周圍的 加熱絲8將擠出機內的扁鑄錠6加熱至400°C ,此時扁鑄4定6處于觸變形態(tài)， 推桿7對觸變形態(tài)的扁鑄錠6施加的壓力使扁鑄錠6發(fā)生變形，并從擠出機 的出口 ll處被擠出，形成一預定形狀的鎂合金-碳納米管復合材料10。該鎂 合金-碳納米管復合材料10的形狀與擠出機出口 11的形狀有關，本實施例中 擠出機出口 11的橫截面為一長方形，故鎂合金-碳納米管復合材料10的形狀 為一長方體。
在上述擠壓過程中，由于擠出機出口 11的橫截面積相對于圓柱形擠出通道9的橫截面積較小，故扁鑄錠6需經過變形才可從擠出機出口 11被擠 出，在扁鑄4t6變形的過程中，不同的扁鑄錠6和扁鑄4定6的不同部分會相 互混合，形成一觸變形態(tài)的混合物，碳納米管1在該混合物中經再次分配， 分散更加均勾，故制得的鎂合金-碳納米管復合材料10具有強度高和韌性好 的優(yōu)點，且由于鎂合金-碳納米管復合材料IO經過擠壓的方法制得，在擠壓 過程中，需對鎂合金-碳納米管復合材料IO施加較大的壓力，因此制得的鎂 合金-碳納米管復合材料10具有較高的致密性，可廣泛地應用于3C產品、 汽車零部件、航天航空零部件等方面。
另外，本領域技術人員還可以在本發(fā)明精神內做其它變化，當然，這些 依據本發(fā)明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內。
權利要求
1. 一種鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其包括以下步驟提供鎂熔體和大量的碳納米管，將鎂熔體和碳納米管混合得到一混合漿料；將上述混合漿料注入模具中，得到一預制體；以及將上述預制體進行擠壓成型處理，制得鎂合金-碳納米管復合材料。
2. 如權利要求l所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 〃暖納米管為單壁^f友納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管或其任意組合的混 合物。
3. 如權利要求l所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 碳納米管的直徑為1.0-150納米，長度為1-10微米。
4. 如權利要求l所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 碳納米管在混合漿料中所占的質量百分比濃度為1%-5%，所述鎂熔體在混 合漿料中所占的質量百分比濃度為95%-99%。
5. 如權利要求l所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 鎂熔體為純鎂熔體或鎂合金熔體。
6. 如權利要求5所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 鎂合金由鎂和鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、鈣等元素的一種或多種組成。
7. 如權利要求6所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 鎂合金中，鎂的質量百分比濃度大于80%。
8. 如權利要求1所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 預制體為扁鑄錠。
9. 如權利要求8所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 扁鑄錠直徑為5-10厘米，厚度為0.1-1厘米。
10. 如權利要求1所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 將鎂熔體和碳納米管混合得一混合漿料的方法具體包括以下步驟將鎂熔體 置于一容器中，并保持550-750。C的溫度；將碳納米管緩慢加入上述容器中， 形成一混合漿料；同時對混合漿料進行機械攪拌。
11. 如權利要求1所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 預制體的制備方法具體包括以下步驟在保護氣體存在的情況下，將混合漿料注入預制體形狀的模具中；冷卻一段時間后，混合漿料凝固形成固態(tài)的預 制體。
12. 如權利要求ll所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 保護氣體為惰性氣體或氮氣。
13. 如權利要求l所述鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所述 擠壓成型具體包括以下步驟將上述預制體置于一擠出機中，將該預制體加 熱至300-450。C;對預制體施加一定的壓力，使預制體發(fā)生變形，從該擠出 機的出口被擠出，形成鎂基-碳納米管復合材料。
全文摘要
一種鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其包括以下步驟提供鎂熔體和大量的碳納米管，將鎂熔體和碳納米管混合得到一混合漿料；將上述混合漿料注入模具中，得到一預制體；以及，將上述預制體進行擠壓成型處理，制得鎂合金-碳納米管復合材料。
文檔編號C22C47/08GK101435059SQ200710124548
公開日2009年5月20日 申請日期2007年11月16日 優(yōu)先權日2007年11月16日
發(fā)明者李文珍, 杜青春, 許光良, 陳正士, 陳錦修 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司