碳納米管鎂基復合材料的性能研究與分析

景春明，潘 強，陳廣軍，潘亞強，陸祥輝，楊 華

（1.蘭州蘭石集團規(guī)劃發(fā)展部，蘭州 730314；2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院，蘭州 730314；3.新疆塔里木大學經(jīng)濟與管理學院，新疆阿拉爾 843300）

碳納米管鎂基復合材料的性能研究與分析

景春明1，潘 強2，陳廣軍2，潘亞強3，陸祥輝2，楊 華2

（1.蘭州蘭石集團規(guī)劃發(fā)展部，蘭州 730314；2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院，蘭州 730314；3.新疆塔里木大學經(jīng)濟與管理學院，新疆阿拉爾 843300）

鎂及鎂合金是目前最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，具有優(yōu)良的性能，但是鎂合金的強度不高，特別是高溫性能較差，塑性成形性差，工業(yè)應用中無法制作成高強度的結(jié)構(gòu)材料，鎂基復合材料可以克服單一金屬的缺陷性，可以應用于各種復雜環(huán)境中。碳納米管/鎂基復合材料具有碳納米管和鎂基體的綜合優(yōu)點，即高的導熱率、高比強度、高比剛度、高的尺寸穩(wěn)定性，還具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能、優(yōu)良的機械加工性能，可以廣泛的應用于生產(chǎn)中，但碳納米管鎂基復合材料的制備及研究還不完善。對分析了碳納米管鎂基復合材料的研究現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展方向進行分析，為生產(chǎn)及科研提供了參考。

鎂合金；碳納米管；復合材料；性能

0 引言

鎂及鎂合金是目前最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，具有高的比強度和比剛度，很好的抗磁性，高的電負性和導熱性，良好的消震性和切削加工性能，在汽車工業(yè)、航空、航天、3C產(chǎn)品等領(lǐng)域擁有廣泛的應用前景[1]。但是鎂合金的強度不高，特別是高溫性能較差，塑性成形性差，工業(yè)應用中無法制作成高強度的結(jié)構(gòu)材料，鑄件成形方法也有局限性，阻礙了鎂合金的發(fā)展，限制了其應用[2]。

在材料學中，復合材料是兩種或兩種以上不同相態(tài)的組分所組成的材料，其定義為：用經(jīng)過選擇含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（有時也叫組元），經(jīng)過人工復合、組成多相、三維結(jié)合，且各項之間有明顯界面、具有特殊性能的材料。

碳納米管鎂基復合材料具有高彈性模量、高強度、高耐磨性能，以其固有的優(yōu)良性能，將會具有更廣闊的發(fā)展空間，在材料應用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。因此，研究碳納米管鎂基復合材料性能、擴大其應用范圍、發(fā)掘其應用潛能是十分必要的。

1 鎂基復合材料的成分及性能

1.1 基本成分

鎂基復合材料組成成分大體為鎂或鎂合金基體、增強體、基體與增強相間的界面區(qū)域。常用的增強相主要有C纖維、碳納米管、Ti纖維、B纖維、Al2O3短纖維、SiC晶須、B4C顆粒、S顆粒和Al2O顆粒等。由于鎂及鎂合金比鋁及鋁合金的化學性質(zhì)更為活潑，在制備復合材料時往往更容易使鎂基體與增強相之間發(fā)生相互作用而生成化合物，因而所用增強相不盡相同?；w和增強相之間的界面結(jié)合狀況很大程度上決定著金屬基復合材料力學性能的好壞。為了獲得高強度的復合材料，其界面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和優(yōu)化是基體和增強性能能否充分發(fā)揮，獲得最佳綜合性能的關(guān)鍵[3]。界面的研究工作主要集中在成分偏聚、界面區(qū)形貌、界面反應、相組成與結(jié)構(gòu)和取向等方面。界面反應可以通過化學腐蝕形成界面脆化相以及基體成分改變而潛在的削弱界面相，最終影響復合材料的各種性能。

1.2 鎂合金的優(yōu)良性能

鎂合金相對比強度（強度與質(zhì)量之比）高，其熔點比鋁合金熔點低，壓鑄成型性能好。鎂合金還有良好的電磁屏蔽性能，防輻射性能，可做到100%回收再利用。鎂合金件穩(wěn)定性較高，壓鑄件的鑄造加工尺寸精度高，可進行高精度機械加工。鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件壁厚最小可達0.5 mm。適合制造汽車各類壓鑄件。鎂合金的散熱相對與鋁合金來說有絕對的優(yōu)勢，鎂合金比其他金屬的切削阻力小，在機械加工時，可以較快的速度加工。鎂合金與其他金屬相比抗變形力大，由沖撞而引起的凹陷小于其他金屬。

對振動和沖擊的吸收性：由于鎂合金對振動能量的吸收性能好，使用在驅(qū)動和傳動的部件上減少振動。另外，沖擊能量吸收性能好，比鋁合金具有更好的延伸率，受到?jīng)_擊后，能吸收沖擊能量而不會產(chǎn)生斷裂[4]。

2 鎂合金復合材料的制備方法

鎂基復合材料的制備方法主要有真空氣壓浸滲法、擠壓鑄造法、流變鑄造法、攪拌鑄造法、粉末冶金法、噴射法、液態(tài)反應法等。由于鎂及鎂合金化學性質(zhì)很活潑，制備過程中的高溫階段都需要真空或采用惰性氣氛保護，以防止氧化。

3 碳納米管的基本結(jié)構(gòu)

碳納米管是由石墨烯片層卷成的無縫、中空管體的材料，一般可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，單壁碳納米管是由單層碳原子卷曲而成的，結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性與單一性，多壁碳納米管是由多層碳原子一層接一層卷曲而成，形狀類似同軸電纜。一般單壁碳納米管的直徑在0.4～2 nm，多壁碳納米管的直徑不超過100 nm，長度則可達數(shù)微米至數(shù)毫米。由于碳納米管的直徑小，長徑比大，可以視為準一維納米材料。

4 碳納米管的性能

碳納米管具有很高的強度、韌性和彈性模量，彈性模量可達到1 TPa，可以和金剛石的彈性模量相媲美，是鋼的5倍左右。理論上的抗拉強度可以達到177 GPa。同時石墨烯片（石墨的六角網(wǎng)格平面）卷曲中空管結(jié)構(gòu)使其具有很低的密度，約為鋼的1/6到1/7，而且又具有極高的強度、良好的韌性。

碳納米管優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性，使得其很適合用于復合材料的增強體，越來越受到新材料研究領(lǐng)域的關(guān)注。碳納米管能應用在儲氫材料、納米電子元件、傳感器、復合材料的改性等方面。由于碳納米管具有非常高的強度，且在強酸、強堿的環(huán)境下基本不會氧化，如果與工程材料進行復合，可以起到很好的增強作用。所以關(guān)于碳納米管復合材料的研究也成為應用研究的一個重要領(lǐng)域。但是由于碳納米管的尺寸與金屬晶格相差太大，一般被排斥在晶界上面[5]。所以當碳納米管的含量大于一定值時，碳納米管就會在金屬晶界上團聚，晶格上的團聚力就會被削弱，這樣基體的強度就會降低，將碳納米管與金屬基體割裂開，在金屬基體與碳納米管之間形成一種脆性界面。

5 碳納米管/鎂基復合材料的現(xiàn)狀

在以碳纖維作為增強相制備鎂基復合材料時，碳不會與鎂發(fā)生反應。碳納米管具有比碳纖維更好的熱穩(wěn)定性，在973 K以下的空氣中基本上是不會發(fā)生變化，由于碳納米管具有極高的彈性模量和抗拉強度，極小的密度和良好的化學穩(wěn)定性，而且碳納米管具有很高的綜合機械性能，所以碳納米管是鎂基復合材料的一種理想增強材料。碳納米管/鎂基復合材料具有碳納米管和鎂基體的綜合優(yōu)點，即高的導熱率、高比強度、比剛度、高的尺寸穩(wěn)定性，還具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能、優(yōu)良的機械加工性能，可生產(chǎn)各種鑄件、鍛件等[6]。但由于碳納米管比其他各類金屬的比重相差很大，在熔煉過程中容易上浮，不容易復合，還有碳納米管的表面能很高，致使其與鎂基體復合時極易形成團聚，而且碳納米管穩(wěn)定性很好，很難直接與鎂基體發(fā)生界面反應[7]，因此影響到了復合材料的性能，達不到理想的增強效果。

在鎂基體材料中，微小裂紋源的存在造成應力的集中而導致裂紋擴展，致使鎂基體材料發(fā)生斷裂。但當碳納米管均勻的分布于鎂基體材料中時，由于碳納米管表面積大、直徑小且經(jīng)表面改性處理后與鎂基體間的潤濕性比碳纖維好，而且碳納米管具有很好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，所以碳納米管不易與鎂基體反應形成脆性界面，而是與鎂基體材料緊密結(jié)合形成性能優(yōu)異的碳納米管/鎂基復合材料。外加的載荷將通過強界面的結(jié)合和傳遞分布到碳納米管上，因此鎂基復合材料的彈性模量將會大幅提高[8]。另外，由于碳納米管直徑為納米級，其晶格缺陷比碳纖維小得多，所以可顯著提高復合材料的強度。

雖然人們在鎂基復合材料的研究上取得了很大進展，但仍存在很多的問題。如鎂基復合材料的界面強化機理和復合機理等基礎研究還不夠理想，復合材料的制備工藝還有待于改進和完善，還待進一步提高增強相性能等。于是塑性好、高強度、儲氫性能優(yōu)良的碳納米管/鎂基復合材料漸漸的進入了研究范圍[9]。

近年來隨著計算機的計算速度不斷提高，復合材料增強機理的模擬計算研究也得到了長足發(fā)展，在復合材料的屈服強度、損傷斷裂、彈性預測等方面的研究取得了一些成果。Nardane等利用剪切滯后模型成功地預測了纖維增強鋁基復合材料的彈性模量[10]。

目前，碳納米管/鎂基復合材料的研究主要集中在復合材料的力學性能及界面行為、儲氫性能、熱學性能以及增強機理等方面。

6 碳納米管/鎂基復合材料存在的問題

（1）鎂基體的防氧化。在碳納米管增強鎂的復合工藝中，無論是攪拌鑄造法、粉末冶金法還是擠壓鑄造法都涉及到基體的防氧化問題。粉末冶金時混粉和燒結(jié)的過程中極易造成基體鎂顆粒的氧化，在鎂顆粒的表面形成MgO，從而降低材料的性能，因此在燒結(jié)過程中必須采用防燃劑和覆蓋劑進行保護。

（2）碳納米管在基體中的懸浮、分散不均勻。碳納米管的穩(wěn)定性很好，在碳納米管增強鎂的復合過程中，有很強的懸浮和團聚趨向，與金屬鎂的潤濕性不好。團聚和懸浮形成弱相，弱相容易引發(fā)裂紋、孔隙等缺陷，從而降低復合材料的物理和力學性能。因此，碳納米管在基體中的均勻分散是很重要的問題[11]。

（3）碳納米管增強鎂基復合材料的增強機理不明確。碳納米管具有納米級的管徑，很大的長徑比[11]。碳納米管有比晶須大的多的長徑比，又有比纖維小的多管徑和大小，所以碳納米管的增強機制既不同于晶須也不同于纖維。碳納米管增強鎂基復合材料可能的增強機制有復合強化和彌散強化，目前還沒有建立起碳納米管增強鎂基復合材料相關(guān)的增強機制，碳納米管增強鎂基復合材料的增強機理還不明確。

（4）碳納米管、包覆層與鎂基體的界面結(jié)合。因為鎂不和碳反應，在碳納米管增強純鎂時不會出現(xiàn)增強相的化學損傷；同時碳和大多數(shù)金屬的潤濕性不好，不能形成良好的界面結(jié)合；所以，要制備有良好界面結(jié)合的碳納米管/鎂基復合材料，那就必須在碳納米表面鍍覆涂層將其改性，使碳納米管和鎂基體之間的結(jié)合通過界面來實現(xiàn)，界面將應力由基體傳遞到碳納米管增強相上。但是在制備的過程中應該注意晶界粗大和易脆相的形成，使界面弱化[12]。因此，有必要對碳納米管/鎂基復合材料的制備方法和工藝、界面問題、各種物理性能及增強機理進行深入研究[12]。

7 結(jié)論

目前碳納米管增強鎂基復合材料方面的研究已經(jīng)很多了，但是其難點主要集中在：納米材料高的表面能導致碳納米管在鎂基體中的相溶性和均勻分散性都不好，這是首要的制備困難；其復合機理、界面強化機理等基礎機理的研究還不是很充分；制備工藝、微觀組織以及各項性能的研究仍缺乏系統(tǒng)性和完整性。針對以上問題，可以認為，今后碳納米管/鎂基復合材料的研究將主要集中在四個方面：

（1）目前研究報道的鎂基復合材料的力學性能相對于鋁基復合材料還有一定差距，發(fā)展方向可以在選用超細增強相（如亞微米、納米級增強相）方面來提高復合材料強度；

（2）碳納米管具有出色的力學性能、較高的穩(wěn)定性，被認為最理想的增強材料，如何選擇適合的制備工藝和復合方法，充分發(fā)揮碳納米管對基體材料的增強作用，將是今后研究的重點；

（3）通過對碳納米管進行表面修飾，改善碳納米管表面與基體材料的親潤性，提高界面結(jié)合強度，可以在一定程度上解決納米增強相在基體中的分散性及相溶性；

（4）如何表征碳納米管/鎂基復合材料的性能，探索碳納米管/鎂基復合材料在各個領(lǐng)域上的應用前景，將為今后復合材料的廣泛應用奠定基礎。

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STUDY ON CARBON NANOTUBEM AGNESIUM MATRIX COM POSITES

JING Chun-m ing1，PAN Qiang2，CHEN Guang-jun2，PANYa-qiang3，LU Xiang-hui2，YANG Hua2
（1.Developmentand Planning Department，Lanzhou LanshiG roup，Lanzhou 730314，China；2.Lanzhou LanshiEnergy Equipment Engineering Research Institute，Lanzhou 730314，China；3.Schoolof econom icsand management，Tarim University，Xinjiang，Xinjiang alar 843300，China）

Magnesium and magnesium alloy is the lightest metal structural material with excellent performance，but the strength of the magnesium alloy is not high，especially high temperature plastic forming performance is poor，and their industrial applications are unable to produce a structural material with high strength.However，magnesium matrix composites can overcome the shortcomings of single metal and thus can be used in a variety of complex environment. The comprehensive advantages of carbon nanotubes/magnesium matrix composites with carbon nanotubes and magnesium matrix，namely high dimensional stability thermal conductivity，high strength，high stiffness，high mechanical properties，but also has excellent performance，excellent electromagnetic shielding，can be widely used in production，but the research and preparation of carbon nanotubes magnesium matrix composite is not perfect，this paper analyzes the current situation，the carbon nanotube reinforced magnesium matrix composite material problems and the direction of development，provides a reference for the research and production.

magnesium alloy；carbon nanotubes；compound material；performance

TB383

A

1006-7086（2017）04-0241-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.011

2017-04-11

景春明（1984-），男，甘肅通渭人，本科，助理工程師，主要從事材料研發(fā)、企業(yè)規(guī)劃方面的工作。E-mail：1294930648@qq.com。