碳納米管增強鎂基復合材料制備及界面研究進展

楊梅

摘要：隨著我國經濟在快速發展，社會在不斷進步，在碳納米管增強鎂基（CNTs/Mg）復合材料制備過程中，碳納米管間極易因范德華力團聚，且碳和鎂浸潤性差，因此，研究碳納米管的均勻分散和良好的界面結合對CNTs/Mg復合材料的應用具有重要意義。本文綜述了碳納米管增強鎂基（CNTs/Mg）復合材料的制備工藝進展和近年來國內外學者在改善界面結合與碳納米管化學鍍層方面的研究成果，總結了鎂基復合材料的界面增強機制，并展望了CNTs/Mg復合材料未來的界面研究發展方向。

關鍵詞：碳納米管;鎂基復合材料;制備方法;界面研究;界面增強機制

引言

隨著工業的發展以及環境問題的凸顯，現代社會對高比強度和高比彈性模量的新型材料需求也越來越迫切。鎂合金由于低密度、高比強度以及切削加工性能好，被認為是最具有潛力的新一代結構功能材料。由于鎂合金強度相對較低，尚不能滿足大量工業應用，而鎂基復合材料可以在提高強度的同時不降低塑性，因而在航空航天、汽車制造、石油化工等領域有著巨大的應用潛力。在復合材料領域，增強體的選擇是影響綜合性能最為關鍵的因素之一。目前，已經獲得廣泛研究的增強體有SiC顆粒、SiC晶、碳纖維、碳納米管（CNTs）等。在眾多增強體中，CNTs具有諸多優異的性能，其作為增強體的復合材料在性能上有很大的提升，被認為是最有潛力的增強相之一。制備的CNTs增強鈦基復合材料，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，屈服強度上升了42.9%。由于CNTs極易出現團聚而影響復合材料的性能，所以要制備出性能突出的復合材料，應采用新型制備方法，使CNTs在基體中分布均勻。本文主要介紹國內外CNTs增強鎂基復合材料所采用的新型制備方法，隨后對材料的力學性能、物理性能等作相應介紹，最后對復合材料的制備趨勢進行展望。

1碳納米管增強鎂基復合材料的研究狀況

采用攪拌鑄造的方法制成了碳納米管增強鎂基復合材料，測試了力學性能，觀察和分析了顯微組織。同時，用TEM和EDS方法對碳納米管涂覆層的界面結構和成分進行了分析。試驗結果表明：采用化學鍍鎳處理，可在碳納米管表面獲得均勻且結合力較強的涂覆層，從而改善碳納米管和基體之間的潤濕和結合狀況。試驗結果表明碳納米管對鎂基材料具有較好的增強效果，尤其是經過涂覆處理的碳納米管，其增強效果更明顯。在其試驗條件下，碳納米管能細化晶粒組織，提高復合材料的抗拉強度、伸長率、硬度和彈性模量。但是，其實驗結果也同時顯示碳納米管的加入量不能超過1070。否則，因碳納米管難以分散而使復合材料的力學性能大幅下降。采用攪拌鑄造法制備了CNTs/AM60鎂基復合材料。研究了攪拌法加入碳納米管的工藝特點，測試了復合材料的力學性能，并利用掃描電子顯微鏡和能譜分析對復合材料的斷口形貌進行了觀察和分析。研究結果表明，碳納米管能細化復合材料晶粒組織，且起搭接晶粒和承載變形抗力作用。與基體合金相比，復合材料抗拉強度、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多會導致偏聚，使復合材料力學性能下降。

2碳納米管增強鎂基復合材料制備及界面研究

2.1碳納米管和鎂的機械結合

機械結合是指通過增強體和基體之間的收縮摩擦力產生的界面結合，由于CNTs極大的表面積使機械結合成為最直接，也是主要的界面結合方式。通常碳納米管與鎂之間不發生化學反應，因此，良好分散的CNTs/Mg復合材料界面處結合較好，其強度和彈性模量也得到提高。通過球磨法將Mg粉細化并與CNTs進行混合，真空熱壓燒結和熱擠壓制備了分散均勻的CNTs/Mg復合材料，質量分數3%-CNTs/Mg復合材料彈性模量達到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，再通過液固態擠壓的方法制備了CNTs/Mg復合材料，可以觀察到界面無產物生成，在液固態擠壓作用下，CNTs和Mg界面結合良好，未發現孔隙等缺陷，復合材料的強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儲氫性能

氫是未來可能取代煤炭和石油的新一代能源，關于氫的存貯介質備受矚目。鎂合金有很高的儲氫量，可達到大約7.8wt%。研究發現納米尺寸的鎂吸收氫的速率很快，儲氫性能變好，原因是晶界面積增大使儲氫量上升。在鎂合金中加入碳納米管可以有效減小晶粒尺寸，這為提升儲氫量奠定了很好的基礎。最近，研究了PM方法制備的CNTs增強鎂基復合材料的儲氫性能，發現加入Ni和CNTs之后的復合材料的儲氫量相對于合金有了很明顯的提高，但是不加入Ni的復合材料的儲氫性能與純鎂幾乎沒有差距，他們推測新相Mg2Ni和碳納米管共同作用促進了材料對氫的吸收。雖然上述方法對鎂合金儲氫性能有明顯的改良作用，但關于復合材料的儲氫機制還應做進一步研究。

2.3Ni/Mg催化合成CNTs

鎳是工業生產中常用的催化劑，也是合成CNTs的主要催化劑。沉積沉淀法是制備催化劑前驅體的普遍方法，相對于其他工藝，它能使催化劑更均勻的分布在基體上，且可達到納米尺度，為CNTs的生長奠定基礎。催化劑鎳的含量為10%時，以甲烷為碳源能夠在鎂粉上成功合成CNTs，但考慮到過高的鎳含量對后期復合材料性能的影響較大，因此需要找出一個能夠合成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%的催化劑前驅體，并經過相同的鍛燒、還原、生長工藝來制備CNTs/Mg復合粉末。

2.4化學鍍層與界面潤濕結合研究

碳納米管和Mg不發生反應，通常界面干凈無穩定界面產物，但容易因C-Mg不潤濕產生界面缺陷;界面反應可以增強界面結合力，但界面反應較難控制，且會對CNTs的結構產生損傷。碳納米管表面改性可以解決這個問題。碳納米管的表面化學改性方法較多，主要包括：表面化學鍍、氣相沉積、高能束流輻照等。其中，化學鍍具有工藝操作簡便，鍍層均勻無孔洞等優點，廣泛應用于各種金屬和非金屬的表面鍍層。在碳納米管表面進行化學鍍最早是在1996年由Ebbesen等首次提出，此后被國內外學者廣泛采用。

結語

CNTs增強鎂基復合材料具有優良的綜合性能，可望在汽車和航空航天工業上獲得廣泛應用。優質高效的CNTs增強鎂基復合材料的制備方法及復合材料性能的研究，正受到國內外材料工作者越來越多的關注。根據對新型CNTs增強鎂基復合材料制備技術的分析，可以總結出當前制備技術的發展趨勢：一是制備過程優化及簡化，使獲得優良性能的復合材料更加便捷;二是對復合材料物理性能的探索。在保證其優異力學性能的基礎上，對其物理性能進行探索，揭示性能變化機制，為制備結構與功能一體化的復合材料奠定基礎。相信隨著將來對CNTs增強鎂基復合材料研究的深入，它將會廣泛應用于各個領域。

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（作者單位：清華大學天津高端裝備研究院）