粉末冶金法制备的碳纳米管增强镁基复合材料的微观组织及力学性能研究

辛晓光

（中化化工科学技术研究总院有限公司，北京 100083）

1 镁基复合材料的研究现状及发展趋势

随着现代工业对高性能材料需求的不断增强，镁基复合材料作为一种新型轻质高强材料，具有良好的机械性能、热稳定性和抗腐蚀性能等特点，在航空、汽车等领域得到广泛应用。然而，镁基复合材料缺乏韧性和低强度等问题限制了其在实际应用中的推广和发展[1]。

针对这些问题，研究人员开始探索引入纳米级别的增强剂来改善镁合金的性能。碳纳米管作为一种新型的纳米材料，具有优异的力学性能和化学稳定性，因此被广泛应用在材料科学领域。

碳纳米管的应用可以提高镁基复合材料的力学性能，如抗拉强度、屈服强度等，并且可以改善其微观组织结构。此外，碳纳米管还可以提高复合材料的热稳定性和耐腐蚀性能，这与碳纳米管本身的化学稳定性和防腐蚀性能有关。

然而，使用碳纳米管增强材料也存在一些问题。例如，碳纳米管的加入会降低复合材料的韧性，需要在复合材料增强程度和韧性之间进行平衡。此外，制备过程中的工艺控制和粒径大小的控制也是影响复合材料性能的重要因素[2]。

当前，研究人员正在进一步探索碳纳米管与其他材料的复合增强效果，寻找更加适合工业应用的制备方法，并在改善材料的塑性变形能力等方面展开深入研究。这些研究将为镁基复合材料的开发和应用提供更好的理论依据和实验基础，同时也有助于推动轻质高强材料的发展与应用。

2 碳纳米管增强材料在复合材料领域中的应用

碳纳米管具有良好的机械性能、导电性能和导热性能等优点，已经被广泛应用于复合材料中。其中，碳纳米管增强材料可以通过增加材料表面积，提高与基体的结合力，从而有效地提高材料的力学性能。因此，将碳纳米管引入镁基复合材料中，有望进一步提高该类材料的机械性能，并能够改善其微观组织结构。

3 研究方法和实验设计

3.1 实验方案的设计

本研究采用粉末冶金法制备碳纳米管增强镁基复合材料。具体步骤包括：

1）制备混合粉末：选择100 g 的镁粉、0.5 g 的碳纳米管和0.1 g 的添加剂（MgO 和Al2O3），将其混合均匀。

2）热处理过程：将混合粉末置于高温炉中，在500 ℃下进行热处理，持续时间为1 h，冷却后取出，制成镁基复合材料。

3）各组样品设计：制备4 组样品，分别包括无添加碳纳米管的纯镁粉样品、添加质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%的碳纳米管的镁基复合材料样品。

4）微观组织表征：对制备好的样品进行扫描电子显微镜（SEM）和X 射线衍射（XRD）等手段的微观组织表征。

5）力学性能测试：采用拉伸试验和压缩试验等方法，对制备好的样品的力学性能进行测试。

3.2 实验所需设备和试剂

本实验所需设备包括高温炉、扫描电子显微镜、机械性能测试仪等。所需试剂包括镁粉、碳纳米管、添加剂等。

3.3 实验参数和测试方法

本研究中，通过调整镁粉、碳纳米管和其他添加剂的比例，控制热处理温度和时间等参数，制备出不同含量碳纳米管的镁基复合材料样品。对制备好的样品进行扫描电子显微镜、X 射线衍射等手段的微观组织表征，并采用拉伸试验和压缩试验等力学性能测试方法，对样品的力学性能进行分析和评估。

4 实验结果与分析

4.1 微观组织表征和分析

在本研究中，采用扫描电子显微镜（SEM）和X 射线衍射（XRD）等手段对不同含量碳纳米管样品进行了微观组织表征和结晶质量分析，结果如表1 所示。

表1 SEM 观察结果和XRD 分析结果

1）对制备好的样品进行了SEM观察。从表1 结果显示，加入适当含量的碳纳米管后，材料的晶粒大小和形貌都发生了一定的变化。在无添加碳纳米管的纯镁粉样品中，晶粒呈现出较大且不均匀的分布状态。而在添加质量分数为0.5%的碳纳米管的样品中，晶粒尺寸有所减小，并且更为均匀地分布在整个样品中。随着碳纳米管含量的增加，晶粒尺寸进一步减小，并呈现出更为均匀的分布状态。

2）对不同样品的晶体结构进行了XRD 分析。结果显示，在添加适当含量的碳纳米管后，材料的晶体结构得到了改善，晶格略有收缩，表明碳纳米管的引入改善了材料的结晶质量。尤其在添加质量分数为0.5%的碳纳米管的样品中，明显观察到了晶格略有收缩的现象。这也进一步证实了SEM观察结果，即在添加适当含量的碳纳米管的作用下，材料的晶粒尺寸减小，并呈现出更为均匀的分布状态。

通过对不同含量碳纳米管样品的微观组织表征和结晶质量分析，发现适当添加碳纳米管可以改善镁基复合材料的晶体结构和结晶质量，并且促进材料晶粒尺寸的均匀分布。这不仅有助于提高材料的力学性能和稳定性，同时也为后续研究提供了理论依据和实验基础。

4.2 力学性能测试结果及数据分析

在本研究中，对制备好的样品进行了拉伸试验和压缩试验等方法的力学性能测试，以探究碳纳米管对镁基复合材料力学性能的影响，结果如表2 所示。

表2 不同含量碳纳米管样品的拉伸试验数据

由表2 试验结果表明，在适当控制碳纳米管含量的情况下，加入碳纳米管可以有效提高镁基复合材料的机械性能。具体来说，随着碳纳米管含量的增加，样品的抗拉强度和屈服强度均有所提高。其中，添加质量分数为1.0%的碳纳米管的样品的抗拉强度最高，达到了155 MPa，比无添加碳纳米管的样品提高了约46%。同时，在应变到达一定程度后，加入碳纳米管的样品的断裂形态更具韧性，显示出较好的拉伸延展性能。

然而，同时也发现随着碳纳米管含量的增加，材料的塑性变形能力也有所下降。这一点在压缩试验中得到更加明显的体现。虽然在低应变区间内，加入碳纳米管后，样品的压缩强度也有所提高，但随着应变的增加，材料的塑性变形能力下降，表明碳纳米管增加了材料的脆性。

研究表明，在适当的碳纳米管含量下，加入碳纳米管可以有效提高镁基复合材料的机械性能。然而，这也需要在增强程度和材料韧性之间进行平衡，并且需要进一步优化制备工艺和控制粒径大小等因素，以充分发挥碳纳米管的增强作用。

5 结论

本研究采用粉末冶金法制备出了碳纳米管增强镁基复合材料，并对其微观组织和力学性能进行了表征和测试。结果表明，适当控制碳纳米管含量可以有效地提高材料的机械性能，并且可以改善其微观组织结构。在拉伸试验中，加入质量分数为1.0%的碳纳米管的样品的抗拉强度最高，达到了155 MPa，比无添加碳纳米管的样品提高了约46%。同时，在应变到达一定程度后，加入碳纳米管的样品的断裂形态更具韧性，显示出较好的拉伸延展性能。然而，在压缩试验中，也发现随着碳纳米管含量的增加，材料的塑性变形能力下降，表明碳纳米管增加了材料的脆性。

同时，也通过SEM和XRD 等手段对不同含量碳纳米管样品的微观组织和结晶质量进行了分析。结果显示，在添加适当含量碳纳米管后，材料的晶体结构得到了改善，晶格略有收缩，并且促进材料晶粒尺寸的均匀分布。这不仅有助于提高材料的力学性能和稳定性，同时也为后续研究提供了理论依据和实验基础。

在未来的工业应用中，可以考虑引入碳纳米管作为镁基复合材料的增强剂，以提高材料的性能和使用寿命。同时，本研究也为镁基复合材料的开发和应用提供了一定的理论依据和实验基础。未来可以在进一步探索碳纳米管与其他材料的复合增强效果、寻找更加适合工业应用的制备方法以及改善材料的塑性变形能力等方面展开深入研究。