CN101376932B - 镁基复合材料的制备方法及制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供大量的镁颗粒和大量的碳纳米管；在保护气体保护下，加热上述镁颗粒与碳纳米管混合后得到的混合体，形成一半固态浆料；对上述的半固态浆料施加电磁搅拌，以使碳纳米管在半固态浆料中均匀分散；将上述均匀分散有碳纳米管的半固态浆料注射进一压铸模具中，冷却后，得到一镁基复合材料。本发明还涉及一种镁基复合材料的制备装置，包括一定量输送装置、一触变成形机、一电磁搅拌器和一注射成形机。本发明所提供的镁基复合材料的制备方法，可使镁颗粒和碳纳米管混合均匀，从而获得抗拉强度高和韧性好的镁基复合材料，可广泛地应用于3C产品、汽车零部件、航天航空零部件等方面。

Description

镁基复合材料的制备方法及制备装置

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法及制备装置，尤其涉及一种镁基复合材料的制备方法及制备装置。

背景技术

镁合金是目前工业应用中最轻的金属合金结构材料之一，具有很高的比强度和比刚度、优异的阻尼性、良好的电磁相容性、易加工等优点，可广泛用于航空航天领域、汽车行业和信息产业当中。但是现有技术中镁合金的强韧性还较低，其强度仅为相同工艺制备铝合金的50％～70％，而其韧性及塑性与铝合金间的差距更大，易发生潜变，这限制了镁合金的应用范围。而镁合金复合材料在这方面可以弥补镁合金的不足。

目前，一般采用通过外加陶瓷相、纤维、碳纳米管(carbon nanotube，CNT)等增强相来复合获得镁合金复合材料。在镁合金材料中加入碳纳米管，形成的复合材料具有以下优点，第一，可以提高复合材料的抗拉强度，碳纳米管与镁合金材料复合时易与其界面结合良好，使镁合金-碳纳米管复合材料能承受更大的抗力；第二，可以提高复合材料的延伸率，碳纳米管与镁合金材料基体浸润性及界面结合力好，使镁合金-碳纳米管复合材料具有更优异的性能。

现有技术中，常采用粉末冶金法、喷射沉积法、熔体浸渗法和搅拌铸造法制备镁基复合材料，但是所制备的镁基复合材料中存在着碳纳米管分散不均匀(请参见，Development of novel carbon nanotube reinforced magnesiumnanocomposites using the powder metallurgy technique，C S Goh et al.，Nanotechnology，vol17，p7(2006))和碳纳米管与镁合金材料基体浸润性差的问题。这是由于碳纳米管在液相合金中的低湿润性而浮到了液相合金的表面，使得碳纳米管在镁合金材料中发生偏聚，造成碳纳米管在镁合金材料中分散不均匀，和镁合金材料基体的相容性、界面浸润性差。从而导致了镁合金-碳纳米管复合材料在抗拉强度和韧性方面没有达到预期的要求。因此，碳纳米管的分散以及与基体的结合力强弱是影响碳纳米管增强效果的关键因素。

因此，确有必要提供一种镁基复合材料的制备方法及制备装置，使用该装置制备的镁基复合材料中的碳纳米管分散均匀，且该镁基复合材料具有抗拉强度高及韧性好的优点。

发明内容

一种镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：第一步，提供大量的镁颗粒和大量的碳纳米管，得到镁颗粒与碳纳米管的混合体；第二步，在保护气体保护下，加热上述镁颗粒与碳纳米管混合后得到的混合体，形成一半固态浆料；第三步，对上述的半固态浆料施加电磁搅拌，以使碳纳米管在半固态浆料中均匀分散；第四步，将上述均匀分散有碳纳米管的半固态浆料注射进一压铸模具中，冷却后，得到一镁基复合材料。

一种制备上述镁基复合材料的制备装置，包括一定量输送装置、一触变成形机、一电磁搅拌器和一注射成形机。上述定量输送装置包括一进料口和一输送带，其中进料口与输送带相连通。上述触变成形机包括一加热桶和一喷嘴，喷嘴设置在加热桶的第一端，上述定量输送装置的输送带与加热桶第二端相连通。上述触变成形机进一步包括一加热带、一螺杆及一单向阀。加热带围绕在加热桶的外围。螺杆设置在加热桶内轴心处。单向阀设置于上述螺杆之上。上述电磁搅拌器包括一感应线圈和一电源，该感应线圈设置于加热桶第一端的加热带的外围。上述注射成形机包括一压铸模具。

与现有技术相比较，所述的镁基复合材料的制备方法通过对镁颗粒和碳纳米管形成的半固态浆料施加电磁搅拌，能有效避免碳纳米管浮到半固态浆料表面的现象，使得碳纳米管在半固态浆料中不发生偏聚，保证碳纳米管在半固态浆料中均匀分散的同时具有很好的流动性。从而使得碳纳米管和镁合金材料基体的相容性、界面浸润性好，可以获得抗拉强度高和延伸率大的镁基复合材料。

所述的镁基复合材料的制备装置可在现有技术的半固态镁合金制备装置上直接增设一电磁搅拌器，结构简单，容易实现，无须重新设计装置制备镁基复合材料。

附图说明

图1是本技术方案实施例镁基复合材料的制备方法的流程示意图。

图2是本技术方案实施例镁基复合材料的制备装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的镁基复合材料的制备方法及制备装置作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种镁基复合材料的制备方法，其具体包括以下步骤：

(一)提供大量的镁颗粒与大量的碳纳米管，将镁颗粒和碳纳米管混合，得到镁颗粒与碳纳米管的混合体。

其中，镁颗粒可以是纯镁颗粒也可以是镁合金颗粒。上述的镁合金颗粒的组成元素除镁外，还含有锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙等其他元素中的一种或几种。其中镁占镁合金颗粒总质量百分比80％以上，其他元素占镁合金颗粒总质量百分比20％以下。本实施例优选为纯镁颗粒。镁颗粒平均直径为20纳米(nm)-100微米(μm)。碳纳米管为市场上销售的普通碳纳米管，所采用的碳纳米管的直径为1nm-150nm，碳纳米管的长度为1μm-10μm。碳纳米管质量与镁颗粒质量之间的比例为1:50-1:200，本实施例优选为1:100。其中碳纳米管的加入量不能过多，否则因碳纳米管难以分散会使复合材料的性能大幅下降。

(二)在保护气体保护下，加热上述镁颗粒与碳纳米管混合后得到的混合体，形成一半固态浆料。

上述镁颗粒与碳纳米管的混合体是在密闭的装置中进行加热的。该装置在加热设备的作用下保持加热温度在一预定温度，该预定温度需确保上述混合体被加热至半固态的浆料的同时，并维持上述混合体的半固态状态。上述的预定温度是不固定的，根据上述混合体中碳纳米管和镁合金颗粒质量之间比例的不同以及镁合金颗粒成分的不同而不同。本实施例优选碳纳米管质量与纯镁颗粒质量以1:100的比例混合，在预定温度为700℃下加热成一半固态浆料。上述的密闭装置具有一搅拌设备。该搅拌设备可在密闭装置中旋转，对半固态浆料进行局部搅拌，实现碳纳米管在半固态浆料中的初步分散。上述混合体应在保护气体环境下进行加热，以防止氧化，该保护气体为惰性气体或氮气，本实施例优选保护气体为氩气。

(三)对上述的半固态浆料施加电磁搅拌，以使碳纳米管在半固态浆料中均匀分散。

电磁搅拌是利用导电的半固态浆料与变化磁场间产生的感应力驱动半固态浆料进行旋转运动。电磁搅拌可以通过一电磁搅拌器来进行，上述的电磁搅拌器的功率为0.2千瓦(KW)～15千瓦(KW)，频率为5赫兹(HZ)～30赫兹(HZ)，搅拌速率为500转/分(rmp)～3000转/分(rmp)。在电磁搅拌器中通过5HZ～30HZ的交流电，会产生一变化的磁场。半固态浆料在电磁搅拌器所产生的变化磁场的作用下会产生一感应电流。感应电流产生的感应磁场与变化磁场之间的相互作用，推动半固态浆料以整体搅拌的方式运动。这种整体搅拌的作用能够有效避免碳纳米管浮到半固态浆料表面的现象，使得碳纳米管在半固态浆料中不发生偏聚，保证碳纳米管在半固态浆料中均匀分散的同时具有很好的流动性。从而使得碳纳米管和镁合金材料基体的相容性、界面浸润性好。通过电源调节电磁搅拌器的功率和频率，可以控制电磁搅拌的强度和速度，从而实现碳纳米管在镁基复合材料中良好的分散性及浸润性。

上述的电磁搅拌器利用了电磁感应的原理可以对半固态浆料实现整体搅拌的方式，使碳纳米管在半固态浆料中均匀分散，从而实现碳纳米管在半固态浆料中良好的分散性及浸润性。

可以理解，本发明上述的电磁搅拌器可以与工频、低频或者变频电源相连，电磁搅拌的方式可以采用正转、反转或者交替运行，利用半固态浆料运动惯性产生很大的速度差和惯性冲击，从而使搅拌效率大为提高。

(四)将上述均匀分散有碳纳米管的半固态浆料注射进一压铸模具中，冷却后，得到一镁基复合材料。

上述均匀分散有碳纳米管的半固态浆料在电磁搅拌器的搅拌后，可注射进并同时充满压铸模具。该压铸模具具有一预定的形状，上述半固态浆料冷却后，即可得到一具有预定形状的镁基复合材料。由于镁基复合材料通过将半固态浆料注射充满压铸模具而制成，所以具有高的铸造精度。

如图2所示，本发明提供一种镁基复合材料8的制备装置100，包括一定量输送装置3、一触变成形机4、一电磁搅拌器6和一注射成形机7。上述定量输送装置3包括一进料口31和一输送带32。上述进料口31进一步包括一第一进料口311和第二进料口312。大量的镁颗粒1与大量的碳纳米管2分别通过第一进料口311和第二进料口312，进入到定量输送装置3中混合。其中进料口31与输送带32相连通，混合后的镁颗粒1与碳纳米管2通过输送带32进行传输。上述触变成形机4包括一加热桶41和一喷嘴45，喷嘴45设置在加热桶41的第一端，上述定量输送装置3的输送带32与加热桶41第二端相连通。上述触变成形机4进一步包括一加热带44、一螺杆42及一单向阀43。加热带44围绕在加热桶41的外围，用于将镁颗粒1与碳纳米管2的混合体加热到预定温度，得到一半固态浆料5。螺杆42设置在加热桶41内轴心处，可在加热桶41内旋转和前后移动，用于搅拌混合上述的半固态浆料5，并推动半固态浆料5向前运动。单向阀43设置于上述螺杆42之上，用于保持上述的半固态浆料5向一个方向流动。上述电磁搅拌器6包括一感应线圈61和一电源(图中未表示)，该感应线圈61设置于加热桶41第一端的加热带44的外围，该电磁搅拌器可以连续提供不同功率和频率范围的搅拌力，以满足各种半固态浆料5制备的需要。上述注射成形机7包括一压铸模具71，该压铸模具71具有一预定形状的空腔72，用于形成具有预定形状的镁基复合材料8。在注射成形机7中，半固态材料5由喷嘴45注射到空腔72中，并充满压铸模具71。

使用上述的镁基复合材料8的制备装置100制备镁基复合材料8的过程中：

大量的镁颗粒1与大量的碳纳米管2分别通过第一进料口311和第二进料口312，进入到定量输送装置3中混合。混合后的镁颗粒1与碳纳米管2的混合体通过输送带32进行传输，进入到触变成形机4中的加热桶41内，被围绕在加热桶41外围的加热带44加热，形成一半固态浆料5。在加热混合体至预定温度时，由螺杆42搅拌混合，并推动半固态浆料5向前运动到电磁搅拌器6所在的部位。上述混合体在加热时，加热桶41内部空间充满保护气体，以防止氧化，该保护气体为惰性气体或氮气，本实施例中优选为氩气。对上述的半固态浆料5施加电磁搅拌，以使碳纳米管2在半固态浆料5中均匀分散。上述均匀分散有碳纳米管2的半固态浆料5在电磁搅拌器6的搅拌推动下向喷嘴45的方向运动，由喷嘴45注射进上述具有预定形状的空腔72中，并充满压铸模具71，得到一具有预定形状的镁基复合材料8。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (11)

1.一种镁基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

提供大量的镁颗粒和大量的碳纳米管；

加热上述镁颗粒与碳纳米管混合后得到的混合体，形成一半固态浆料；

对上述的半固态浆料施加电磁搅拌；以及

将上述施加电磁搅拌后的半固态浆料注射进一压铸模具中，冷却后，得到一镁基复合材料。

2.如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，镁颗粒是纯镁颗粒和镁合金颗粒中的一种。

3.如权利要求2上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，上述的镁合金颗粒的组成元素除镁外，还含有锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙中的一种或几种。

4.如权利要求3上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，其中镁占镁合金颗粒总质量百分比80％以上，其他元素占镁合金颗粒总质量百分比20％以下。

5.如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，上述的镁颗粒的平均直径为20纳米-100微米，碳纳米管的直径为1纳米-150纳米，碳纳米管的长度为1微米-10微米。

6.如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，上述的碳纳米管质量与镁颗粒质量之间的比例为1∶50-1∶200。

7.如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，上述镁颗粒与碳纳米管的混合体在保护气体环境下进行加热，该保护气体为惰性气体或氮气。

8.如权利要求1上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，通过一电磁搅拌器对上述的半固态浆料施加电磁搅拌。

9.如权利要求8上述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，通过调节电磁搅拌器的功率和频率控制搅拌的强度和速度。

10.一种镁基复合材料的制备装置，包括：

一定量输送装置，该定量输送装置包括一进料口和一输送带，其中进料口与输送带相连通，所述进料口包括一第一进料口以及一第二进料口，使用时，镁颗粒与碳纳米管分别通过第一进料口和第二进料口，进入到定量输送装置中混合；

一触变成形机，该触变成形机包括一加热桶和一喷嘴，喷嘴设置在加热桶的第一端，上述定量输送装置的输送带与加热桶第二端相连通，该触变成形机进一步包括一加热带、一螺杆及一单向阀，加热带围绕在加热桶的外围，螺杆设置在加热桶内轴心处，单向阀设置于上述螺杆之上；以及

一注射成形机，该注射成形机包括一压铸模具，

其特征在于，上述制备装置进一步还包括一电磁搅拌器，该电磁搅拌器包括一感应线圈，该感应线圈设置于上述加热桶第一端的加热带的外围。

11.如权利要求10所述的镁基复合材料的制备装置，其特征在于，上述电磁搅拌器与电源相连，该电磁搅拌器的功率为0.2千瓦～15千瓦，频率为5赫兹～30赫兹，搅拌速率为500转/分～3000转/分。

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