景春明，潘 強(qiáng)，陳廣軍，潘亞強(qiáng)，陸祥輝，楊 華

（1.蘭州蘭石集團(tuán)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(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

碳納米管鎂基復(fù)合材料的性能研究與分析

景春明1，潘 強(qiáng)2，陳廣軍2，潘亞強(qiáng)3，陸祥輝2，楊 華2

（1.蘭州蘭石集團(tuán)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(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)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(qiáng)度不高，特別是高溫性能較差，塑性成形性差，工業(yè)應(yīng)用中無(wú)法制作成高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，鎂基復(fù)合材料可以克服單一金屬的缺陷性，可以應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境中。碳納米管/鎂基復(fù)合材料具有碳納米管和鎂基體的綜合優(yōu)點(diǎn)，即高的導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)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(jī)械加工性能，可以廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)中，但碳納米管鎂基復(fù)合材料的制備及研究還不完善。對(duì)分析了碳納米管鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及發(fā)展方向進(jìn)行分析，為生產(chǎn)及科研提供了參考。

鎂合金；碳納米管；復(fù)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(qiáng)度和比剛度，很好的抗磁性，高的電負(fù)性和導(dǎo)熱性，良好的消震性和切削加工性能，在汽車(chē)工業(yè)、航空、航天、3C產(chǎn)品等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景[1]。但是鎂合金的強(qiáng)度不高，特別是高溫性能較差，塑性成形性差，工業(yè)應(yīng)用中無(wú)法制作成高強(qiáng)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(yīng)用[2]。

在材料學(xué)中，復(fù)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(guò)選擇含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（有時(shí)也叫組元），經(jīng)過(guò)人工復(fù)合、組成多相、三維結(jié)合，且各項(xiàng)之間有明顯界面、具有特殊性能的材料。

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

1 鎂基復(fù)合材料的成分及性能

1.1 基本成分

鎂基復(fù)合材料組成成分大體為鎂或鎂合金基體、增強(qiáng)體、基體與增強(qiáng)相間的界面區(qū)域。常用的增強(qiáng)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(xué)性質(zhì)更為活潑，在制備復(fù)合材料時(shí)往往更容易使鎂基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生相互作用而生成化合物，因而所用增強(qiáng)相不盡相同?；w和增強(qiáng)相之間的界面結(jié)合狀況很大程度上決定著金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的好壞。為了獲得高強(qiáng)度的復(fù)合材料，其界面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和優(yōu)化是基體和增強(qiáng)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(yīng)、相組成與結(jié)構(gòu)和取向等方面。界面反應(yīng)可以通過(guò)化學(xué)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(fù)合材料的各種性能。

1.2 鎂合金的優(yōu)良性能

鎂合金相對(duì)比強(qiáng)度（強(qiáng)度與質(zhì)量之比）高，其熔點(diǎn)比鋁合金熔點(diǎn)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(jìn)行高精度機(jī)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(dá)0.5 mm。適合制造汽車(chē)各類(lèi)壓鑄件。鎂合金的散熱相對(duì)與鋁合金來(lái)說(shuō)有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，鎂合金比其他金屬的切削阻力小，在機(jī)械加工時(shí)，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(duì)振動(dòng)和沖擊的吸收性：由于鎂合金對(duì)振動(dòng)能量的吸收性能好，使用在驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)的部件上減少振動(dòng)。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(huì)產(chǎn)生斷裂[4]。

2 鎂合金復(fù)合材料的制備方法

鎂基復(fù)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(yīng)法等。由于鎂及鎂合金化學(xué)性質(zhì)很活潑，制備過(guò)程中的高溫階段都需要真空或采用惰性氣氛保護(hù)，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(wú)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(duì)稱(chēng)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(lèi)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(guò)100 nm，長(zhǎng)度則可達(dá)數(shù)微米至數(shù)毫米。由于碳納米管的直徑小，長(zhǎng)徑比大，可以視為準(zhǔn)一維納米材料。

4 碳納米管的性能

碳納米管具有很高的強(qiáng)度、韌性和彈性模量，彈性模量可達(dá)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(qiáng)度可以達(dá)到177 GPa。同時(shí)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(qiáng)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(fù)合材料的增強(qiáng)體，越來(lái)越受到新材料研究領(lǐng)域的關(guān)注。碳納米管能應(yīng)用在儲(chǔ)氫材料、納米電子元件、傳感器、復(fù)合材料的改性等方面。由于碳納米管具有非常高的強(qiáng)度，且在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的環(huán)境下基本不會(huì)氧化，如果與工程材料進(jìn)行復(fù)合，可以起到很好的增強(qiáng)作用。所以關(guān)于碳納米管復(fù)合材料的研究也成為應(yīng)用研究的一個(gè)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(dāng)碳納米管的含量大于一定值時(shí)，碳納米管就會(huì)在金屬晶界上團(tuán)聚，晶格上的團(tuán)聚力就會(huì)被削弱，這樣基體的強(qiáng)度就會(huì)降低，將碳納米管與金屬基體割裂開(kāi)，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(fù)合材料的現(xiàn)狀

在以碳纖維作為增強(qiáng)相制備鎂基復(fù)合材料時(shí)，碳不會(huì)與鎂發(fā)生反應(yīng)。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(huì)發(fā)生變化，由于碳納米管具有極高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，極小的密度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，而且碳納米管具有很高的綜合機(jī)械性能，所以碳納米管是鎂基復(fù)合材料的一種理想增強(qiáng)材料。碳納米管/鎂基復(fù)合材料具有碳納米管和鎂基體的綜合優(yōu)點(diǎn)，即高的導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)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(jī)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(lèi)金屬的比重相差很大，在熔煉過(guò)程中容易上浮，不容易復(fù)合，還有碳納米管的表面能很高，致使其與鎂基體復(fù)合時(shí)極易形成團(tuán)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(yīng)[7]，因此影響到了復(fù)合材料的性能，達(dá)不到理想的增強(qiáng)效果。

在鎂基體材料中，微小裂紋源的存在造成應(yīng)力的集中而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，致使鎂基體材料發(fā)生斷裂。但當(dāng)碳納米管均勻的分布于鎂基體材料中時(shí)，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(rùn)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(yīng)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(fù)合材料。外加的載荷將通過(guò)強(qiáng)界面的結(jié)合和傳遞分布到碳納米管上，因此鎂基復(fù)合材料的彈性模量將會(huì)大幅提高[8]。另外，由于碳納米管直徑為納米級(jí)，其晶格缺陷比碳纖維小得多，所以可顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。

雖然人們?cè)阪V基復(fù)合材料的研究上取得了很大進(jìn)展，但仍存在很多的問(wèn)題。如鎂基復(fù)合材料的界面強(qiáng)化機(jī)理和復(fù)合機(jī)理等基礎(chǔ)研究還不夠理想，復(fù)合材料的制備工藝還有待于改進(jìn)和完善，還待進(jìn)一步提高增強(qiáng)相性能等。于是塑性好、高強(qiáng)度、儲(chǔ)氫性能優(yōu)良的碳納米管/鎂基復(fù)合材料漸漸的進(jìn)入了研究范圍[9]。

近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度不斷提高，復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)理的模擬計(jì)算研究也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，在復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、損傷斷裂、彈性預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)了纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的彈性模量[10]。

目前，碳納米管/鎂基復(fù)合材料的研究主要集中在復(fù)合材料的力學(xué)性能及界面行為、儲(chǔ)氫性能、熱學(xué)性能以及增強(qiáng)機(jī)理等方面。

6 碳納米管/鎂基復(fù)合材料存在的問(wèn)題

（1）鎂基體的防氧化。在碳納米管增強(qiáng)鎂的復(fù)合工藝中，無(wú)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(wèn)題。粉末冶金時(shí)混粉和燒結(jié)的過(guò)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(guò)程中必須采用防燃劑和覆蓋劑進(jìn)行保護(hù)。

（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(qiáng)鎂的復(fù)合過(guò)程中，有很強(qiáng)的懸浮和團(tuán)聚趨向，與金屬鎂的潤(rùn)濕性不好。團(tuán)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(fù)合材料的物理和力學(xué)性能。因此，碳納米管在基體中的均勻分散是很重要的問(wèn)題[11]。

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

（4）碳納米管、包覆層與鎂基體的界面結(jié)合。因?yàn)殒V不和碳反應(yīng)，在碳納米管增強(qiáng)純鎂時(shí)不會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)相的化學(xué)損傷；同時(shí)碳和大多數(shù)金屬的潤(rùn)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(fù)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(guò)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)，界面將應(yīng)力由基體傳遞到碳納米管增強(qiáng)相上。但是在制備的過(guò)程中應(yīng)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(duì)碳納米管/鎂基復(fù)合材料的制備方法和工藝、界面問(wèn)題、各種物理性能及增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行深入研究[12]。

7 結(jié)論

目前碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料方面的研究已經(jīng)很多了，但是其難點(diǎn)主要集中在：納米材料高的表面能導(dǎo)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(fù)合機(jī)理、界面強(qiáng)化機(jī)理等基礎(chǔ)機(jī)理的研究還不是很充分；制備工藝、微觀組織以及各項(xiàng)性能的研究仍缺乏系統(tǒng)性和完整性。針對(duì)以上問(wèn)題，可以認(rèn)為，今后碳納米管/鎂基復(fù)合材料的研究將主要集中在四個(gè)方面：

（1）目前研究報(bào)道的鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能相對(duì)于鋁基復(fù)合材料還有一定差距，發(fā)展方向可以在選用超細(xì)增強(qiáng)相（如亞微米、納米級(jí)增強(qiáng)相）方面來(lái)提高復(fù)合材料強(qiáng)度；

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

（3）通過(guò)對(duì)碳納米管進(jìn)行表面修飾，改善碳納米管表面與基體材料的親潤(rùn)性，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，可以在一定程度上解決納米增強(qiáng)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(fù)合材料的性能，探索碳納米管/鎂基復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域上的應(yīng)用前景，將為今后復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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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。