碳纳米管镁基复合材料的性能研究与分析

景春明，潘 强，陈广军，潘亚强，陆祥辉，杨 华

（1.兰州兰石集团规划发展部，兰州 730314；2.兰州兰石能源装备工程研究院，兰州 730314；3.新疆塔里木大学经济与管理学院，新疆阿拉尔 843300）

碳纳米管镁基复合材料的性能研究与分析

景春明1，潘 强2，陈广军2，潘亚强3，陆祥辉2，杨 华2

（1.兰州兰石集团规划发展部，兰州 730314；2.兰州兰石能源装备工程研究院，兰州 730314；3.新疆塔里木大学经济与管理学院，新疆阿拉尔 843300）

镁及镁合金是目前最轻的结构金属材料，具有优良的性能，但是镁合金的强度不高，特别是高温性能较差，塑性成形性差，工业应用中无法制作成高强度的结构材料，镁基复合材料可以克服单一金属的缺陷性，可以应用于各种复杂环境中。碳纳米管/镁基复合材料具有碳纳米管和镁基体的综合优点，即高的导热率、高比强度、高比刚度、高的尺寸稳定性，还具有优良的电磁屏蔽性能、优良的机械加工性能，可以广泛的应用于生产中，但碳纳米管镁基复合材料的制备及研究还不完善。对分析了碳纳米管镁基复合材料的研究现状、存在问题及发展方向进行分析，为生产及科研提供了参考。

镁合金；碳纳米管；复合材料；性能

0 引言

镁及镁合金是目前最轻的结构金属材料，具有高的比强度和比刚度，很好的抗磁性，高的电负性和导热性，良好的消震性和切削加工性能，在汽车工业、航空、航天、3C产品等领域拥有广泛的应用前景[1]。但是镁合金的强度不高，特别是高温性能较差，塑性成形性差，工业应用中无法制作成高强度的结构材料，铸件成形方法也有局限性，阻碍了镁合金的发展，限制了其应用[2]。

在材料学中，复合材料是两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料，其定义为：用经过选择含一定数量比的两种或两种以上的组分（有时也叫组元），经过人工复合、组成多相、三维结合，且各项之间有明显界面、具有特殊性能的材料。

碳纳米管镁基复合材料具有高弹性模量、高强度、高耐磨性能，以其固有的优良性能，将会具有更广阔的发展空间，在材料应用领域发挥更大的作用。因此，研究碳纳米管镁基复合材料性能、扩大其应用范围、发掘其应用潜能是十分必要的。

1 镁基复合材料的成分及性能

1.1 基本成分

镁基复合材料组成成分大体为镁或镁合金基体、增强体、基体与增强相间的界面区域。常用的增强相主要有C纤维、碳纳米管、Ti纤维、B纤维、Al2O3短纤维、SiC晶须、B4C颗粒、S颗粒和Al2O颗粒等。由于镁及镁合金比铝及铝合金的化学性质更为活泼，在制备复合材料时往往更容易使镁基体与增强相之间发生相互作用而生成化合物，因而所用增强相不尽相同。基体和增强相之间的界面结合状况很大程度上决定着金属基复合材料力学性能的好坏。为了获得高强度的复合材料，其界面结构的稳定和优化是基体和增强性能能否充分发挥，获得最佳综合性能的关键[3]。界面的研究工作主要集中在成分偏聚、界面区形貌、界面反应、相组成与结构和取向等方面。界面反应可以通过化学腐蚀形成界面脆化相以及基体成分改变而潜在的削弱界面相，最终影响复合材料的各种性能。

1.2 镁合金的优良性能

镁合金相对比强度（强度与质量之比）高，其熔点比铝合金熔点低，压铸成型性能好。镁合金还有良好的电磁屏蔽性能，防辐射性能，可做到100%回收再利用。镁合金件稳定性较高，压铸件的铸造加工尺寸精度高，可进行高精度机械加工。镁合金具有良好的压铸成型性能，压铸件壁厚最小可达0.5 mm。适合制造汽车各类压铸件。镁合金的散热相对与铝合金来说有绝对的优势，镁合金比其他金属的切削阻力小，在机械加工时，可以较快的速度加工。镁合金与其他金属相比抗变形力大，由冲撞而引起的凹陷小于其他金属。

对振动和冲击的吸收性：由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上减少振动。另外，冲击能量吸收性能好，比铝合金具有更好的延伸率，受到冲击后，能吸收冲击能量而不会产生断裂[4]。

2 镁合金复合材料的制备方法

镁基复合材料的制备方法主要有真空气压浸渗法、挤压铸造法、流变铸造法、搅拌铸造法、粉末冶金法、喷射法、液态反应法等。由于镁及镁合金化学性质很活泼，制备过程中的高温阶段都需要真空或采用惰性气氛保护，以防止氧化。

3 碳纳米管的基本结构

碳纳米管是由石墨烯片层卷成的无缝、中空管体的材料，一般可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，单壁碳纳米管是由单层碳原子卷曲而成的，结构具有较好的对称性与单一性，多壁碳纳米管是由多层碳原子一层接一层卷曲而成，形状类似同轴电缆。一般单壁碳纳米管的直径在0.4～2 nm，多壁碳纳米管的直径不超过100 nm，长度则可达数微米至数毫米。由于碳纳米管的直径小，长径比大，可以视为准一维纳米材料。

4 碳纳米管的性能

碳纳米管具有很高的强度、韧性和弹性模量，弹性模量可达到1 TPa，可以和金刚石的弹性模量相媲美，是钢的5倍左右。理论上的抗拉强度可以达到177 GPa。同时石墨烯片（石墨的六角网格平面）卷曲中空管结构使其具有很低的密度，约为钢的1/6到1/7，而且又具有极高的强度、良好的韧性。

碳纳米管优良的结构特性，使得其很适合用于复合材料的增强体，越来越受到新材料研究领域的关注。碳纳米管能应用在储氢材料、纳米电子元件、传感器、复合材料的改性等方面。由于碳纳米管具有非常高的强度，且在强酸、强碱的环境下基本不会氧化，如果与工程材料进行复合，可以起到很好的增强作用。所以关于碳纳米管复合材料的研究也成为应用研究的一个重要领域。但是由于碳纳米管的尺寸与金属晶格相差太大，一般被排斥在晶界上面[5]。所以当碳纳米管的含量大于一定值时，碳纳米管就会在金属晶界上团聚，晶格上的团聚力就会被削弱，这样基体的强度就会降低，将碳纳米管与金属基体割裂开，在金属基体与碳纳米管之间形成一种脆性界面。

5 碳纳米管/镁基复合材料的现状

在以碳纤维作为增强相制备镁基复合材料时，碳不会与镁发生反应。碳纳米管具有比碳纤维更好的热稳定性，在973 K以下的空气中基本上是不会发生变化，由于碳纳米管具有极高的弹性模量和抗拉强度，极小的密度和良好的化学稳定性，而且碳纳米管具有很高的综合机械性能，所以碳纳米管是镁基复合材料的一种理想增强材料。碳纳米管/镁基复合材料具有碳纳米管和镁基体的综合优点，即高的导热率、高比强度、比刚度、高的尺寸稳定性，还具有优良的电磁屏蔽性能、优良的机械加工性能，可生产各种铸件、锻件等[6]。但由于碳纳米管比其他各类金属的比重相差很大，在熔炼过程中容易上浮，不容易复合，还有碳纳米管的表面能很高，致使其与镁基体复合时极易形成团聚，而且碳纳米管稳定性很好，很难直接与镁基体发生界面反应[7]，因此影响到了复合材料的性能，达不到理想的增强效果。

在镁基体材料中，微小裂纹源的存在造成应力的集中而导致裂纹扩展，致使镁基体材料发生断裂。但当碳纳米管均匀的分布于镁基体材料中时，由于碳纳米管表面积大、直径小且经表面改性处理后与镁基体间的润湿性比碳纤维好，而且碳纳米管具有很好的热稳定性和耐腐蚀性，所以碳纳米管不易与镁基体反应形成脆性界面，而是与镁基体材料紧密结合形成性能优异的碳纳米管/镁基复合材料。外加的载荷将通过强界面的结合和传递分布到碳纳米管上，因此镁基复合材料的弹性模量将会大幅提高[8]。另外，由于碳纳米管直径为纳米级，其晶格缺陷比碳纤维小得多，所以可显著提高复合材料的强度。

虽然人们在镁基复合材料的研究上取得了很大进展，但仍存在很多的问题。如镁基复合材料的界面强化机理和复合机理等基础研究还不够理想，复合材料的制备工艺还有待于改进和完善，还待进一步提高增强相性能等。于是塑性好、高强度、储氢性能优良的碳纳米管/镁基复合材料渐渐的进入了研究范围[9]。

近年来随着计算机的计算速度不断提高，复合材料增强机理的模拟计算研究也得到了长足发展，在复合材料的屈服强度、损伤断裂、弹性预测等方面的研究取得了一些成果。Nardane等利用剪切滞后模型成功地预测了纤维增强铝基复合材料的弹性模量[10]。

目前，碳纳米管/镁基复合材料的研究主要集中在复合材料的力学性能及界面行为、储氢性能、热学性能以及增强机理等方面。

6 碳纳米管/镁基复合材料存在的问题

（1）镁基体的防氧化。在碳纳米管增强镁的复合工艺中，无论是搅拌铸造法、粉末冶金法还是挤压铸造法都涉及到基体的防氧化问题。粉末冶金时混粉和烧结的过程中极易造成基体镁颗粒的氧化，在镁颗粒的表面形成MgO，从而降低材料的性能，因此在烧结过程中必须采用防燃剂和覆盖剂进行保护。

（2）碳纳米管在基体中的悬浮、分散不均匀。碳纳米管的稳定性很好，在碳纳米管增强镁的复合过程中，有很强的悬浮和团聚趋向，与金属镁的润湿性不好。团聚和悬浮形成弱相，弱相容易引发裂纹、孔隙等缺陷，从而降低复合材料的物理和力学性能。因此，碳纳米管在基体中的均匀分散是很重要的问题[11]。

（3）碳纳米管增强镁基复合材料的增强机理不明确。碳纳米管具有纳米级的管径，很大的长径比[11]。碳纳米管有比晶须大的多的长径比，又有比纤维小的多管径和大小，所以碳纳米管的增强机制既不同于晶须也不同于纤维。碳纳米管增强镁基复合材料可能的增强机制有复合强化和弥散强化，目前还没有建立起碳纳米管增强镁基复合材料相关的增强机制，碳纳米管增强镁基复合材料的增强机理还不明确。

（4）碳纳米管、包覆层与镁基体的界面结合。因为镁不和碳反应，在碳纳米管增强纯镁时不会出现增强相的化学损伤；同时碳和大多数金属的润湿性不好，不能形成良好的界面结合；所以，要制备有良好界面结合的碳纳米管/镁基复合材料，那就必须在碳纳米表面镀覆涂层将其改性，使碳纳米管和镁基体之间的结合通过界面来实现，界面将应力由基体传递到碳纳米管增强相上。但是在制备的过程中应该注意晶界粗大和易脆相的形成，使界面弱化[12]。因此，有必要对碳纳米管/镁基复合材料的制备方法和工艺、界面问题、各种物理性能及增强机理进行深入研究[12]。

7 结论

目前碳纳米管增强镁基复合材料方面的研究已经很多了，但是其难点主要集中在：纳米材料高的表面能导致碳纳米管在镁基体中的相溶性和均匀分散性都不好，这是首要的制备困难；其复合机理、界面强化机理等基础机理的研究还不是很充分；制备工艺、微观组织以及各项性能的研究仍缺乏系统性和完整性。针对以上问题，可以认为，今后碳纳米管/镁基复合材料的研究将主要集中在四个方面：

（1）目前研究报道的镁基复合材料的力学性能相对于铝基复合材料还有一定差距，发展方向可以在选用超细增强相（如亚微米、纳米级增强相）方面来提高复合材料强度；

（2）碳纳米管具有出色的力学性能、较高的稳定性，被认为最理想的增强材料，如何选择适合的制备工艺和复合方法，充分发挥碳纳米管对基体材料的增强作用，将是今后研究的重点；

（3）通过对碳纳米管进行表面修饰，改善碳纳米管表面与基体材料的亲润性，提高界面结合强度，可以在一定程度上解决纳米增强相在基体中的分散性及相溶性；

（4）如何表征碳纳米管/镁基复合材料的性能，探索碳纳米管/镁基复合材料在各个领域上的应用前景，将为今后复合材料的广泛应用奠定基础。

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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，甘肃通渭人，本科，助理工程师，主要从事材料研发、企业规划方面的工作。E-mail：1294930648@qq.com。