碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備及界面研究進(jìn)展

楊梅

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，在碳納米管增強(qiáng)鎂基（CNTs/Mg）復(fù)合材料制備過(guò)程中，碳納米管間極易因范德華力團(tuán)聚，且碳和鎂浸潤(rùn)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(duì)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(qiáng)鎂基（CNTs/Mg）復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)展和近年來(lái)國(guó)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(qiáng)機(jī)制，并展望了CNTs/Mg復(fù)合材料未來(lái)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(qiáng)機(jī)制

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展以及環(huán)境問(wèn)題的凸顯，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高比強(qiáng)度和高比彈性模量的新型材料需求也越來(lái)越迫切。鎂合金由于低密度、高比強(qiáng)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(qiáng)度相對(duì)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(qiáng)度的同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)體有SiC顆粒、SiC晶、碳纖維、碳納米管（CNTs）等。在眾多增強(qiáng)體中，CNTs具有諸多優(yōu)異的性能，其作為增強(qiáng)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(qiáng)相之一。制備的CNTs增強(qiáng)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(qiáng)度上升了42.9%。由于CNTs極易出現(xiàn)團(tuán)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(guó)內(nèi)外CNTs增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料所采用的新型制備方法，隨后對(duì)材料的力學(xué)性能、物理性能等作相應(yīng)介紹，最后對(duì)復(fù)合材料的制備趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1碳納米管增強(qiáng)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(qiáng)鎂基復(fù)合材料，測(cè)試了力學(xué)性能，觀察和分析了顯微組織。同時(shí)，用TEM和EDS方法對(duì)碳納米管涂覆層的界面結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行了分析。試驗(yàn)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(qiáng)的涂覆層，從而改善碳納米管和基體之間的潤(rùn)濕和結(jié)合狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明碳納米管對(duì)鎂基材料具有較好的增強(qiáng)效果，尤其是經(jīng)過(guò)涂覆處理的碳納米管，其增強(qiáng)效果更明顯。在其試驗(yàn)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(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度和彈性模量。但是，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也同時(shí)顯示碳納米管的加入量不能超過(guò)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(diǎn)，測(cè)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(duì)復(fù)合材料的斷口形貌進(jìn)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(qiáng)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(guò)多會(huì)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(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備及界面研究

2.1碳納米管和鎂的機(jī)械結(jié)合

機(jī)械結(jié)合是指通過(guò)增強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度和彈性模量也得到提高。通過(guò)球磨法將Mg粉細(xì)化并與CNTs進(jìn)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(dá)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(guò)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(wú)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(qiáng)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(chǔ)氫性能

氫是未來(lái)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(chǔ)氫量，可達(dá)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(chǔ)氫性能變好，原因是晶界面積增大使儲(chǔ)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(chǔ)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(qiáng)鎂基復(fù)合材料的儲(chǔ)氫性能，發(fā)現(xiàn)加入Ni和CNTs之后的復(fù)合材料的儲(chǔ)氫量相對(duì)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(chǔ)氫性能與純鎂幾乎沒(méi)有差距，他們推測(cè)新相Mg2Ni和碳納米管共同作用促進(jìn)了材料對(duì)氫的吸收。雖然上述方法對(duì)鎂合金儲(chǔ)氫性能有明顯的改良作用，但關(guān)于復(fù)合材料的儲(chǔ)氫機(jī)制還應(yīng)做進(jìn)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(duì)于其他工藝，它能使催化劑更均勻的分布在基體上，且可達(dá)到納米尺度，為CNTs的生長(zhǎng)奠定基礎(chǔ)。催化劑鎳的含量為10%時(shí)，以甲烷為碳源能夠在鎂粉上成功合成CNTs，但考慮到過(guò)高的鎳含量對(duì)后期復(fù)合材料性能的影響較大，因此需要找出一個(gè)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(guò)相同的鍛燒、還原、生長(zhǎng)工藝來(lái)制備CNTs/Mg復(fù)合粉末。

2.4化學(xué)鍍層與界面潤(rùn)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(wú)穩(wěn)定界面產(chǎn)物，但容易因C-Mg不潤(rùn)濕產(chǎn)生界面缺陷;界面反應(yīng)可以增強(qiáng)界面結(jié)合力，但界面反應(yīng)較難控制，且會(huì)對(duì)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(gè)問(wèn)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(jiǎn)便，鍍層均勻無(wú)孔洞等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行化學(xué)鍍最早是在1996年由Ebbesen等首次提出，此后被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛采用。

結(jié)語(yǔ)

CNTs增強(qiáng)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(qiáng)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(guó)內(nèi)外材料工作者越來(lái)越多的關(guān)注。根據(jù)對(duì)新型CNTs增強(qiáng)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(shì)：一是制備過(guò)程優(yōu)化及簡(jiǎn)化，使獲得優(yōu)良性能的復(fù)合材料更加便捷;二是對(duì)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(duì)其物理性能進(jìn)行探索，揭示性能變化機(jī)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(lái)對(duì)CNTs增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料研究的深入，它將會(huì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

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（作者單位：清華大學(xué)天津高端裝備研究院）