CN101391500A - 镁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种镁基复合材料，包括镁基金属，其中，该镁基复合材料进一步包括至少一纳米级增强体薄膜设置于上述镁基金属中。本发明还涉及一种镁基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：提供至少二镁基板和至少一纳米级增强体薄膜；将该纳米级增强体薄膜设置于二镁基板之间，形成一预制体；以及热轧该预制体，形成镁基复合材料。采用本发明方法制备的镁基复合材料具有更高的强度和韧性，并且工艺简单、易操作，可广泛地应用于镁基复合材料方面。

Description

镁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制备方法，尤其涉及一种镁基复合材料及其制备方法。
背景技术
镁合金是现代结构金属材料中最轻的一种，纯镁的密度约为1.74克每立方厘米，为铝密度的2/3，钢密度的1/4。镁合金的优点是密度小，比强度、比钢度高，减震性好，同时还具有优良的铸造性能、切削加工性能、导热性能和电磁屏蔽性能，被广泛应用于汽车制造业、航空、航天、光学仪器制造和国防等领域。
根据成形工艺及合金元素的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。变形镁合金通过在合金中加入有利于提高其形变特性的元素，挤压、轧制、锻造的方法固态成形，通过变形生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品。由于变形加工消除了铸造组织缺陷及细化了晶粒，故与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更好的力学性能，同时生产成本更低。
但是，现有技术中制备的镁合金的韧性及强度均不能达到工业上的要求。为解决这一问题，一般采用向镁合金中加入纳米级增强体的方式提高材料的强度和韧性(Goh C.S.，Wei J.，Lee L.C.，Gupta M.，Nanotechnology，vol17，p7(2006))。然而，现有技术中制备镁基复合材料一般采用铸造方法，如粉末冶金、熔体渗透、搅拌铸造、等。上述这些方法形成的镁基复合材料一般为铸锭的形式。在后续加工中需要通过挤压、轧制、锻造等方法制成所需型材，工艺步骤繁琐。并且，在镁合金熔融状态中分散纳米级增强体较为困难，容易引起纳米级增强体的团聚，造成分散不均匀；使用粉末冶金方法虽然可以使这一问题相对改善，但是粉末冶金法在生产过程中存在金属粉末燃烧、爆炸等危险。另外，这些方法制备工艺均相对复杂、设备成本高、不易大规模工业化生产。
有鉴于此，提供一种纳米级增强体在镁基金属中均匀分布的镁基复合材料及一种简单易行、适合工业化生产的镁基复合材料的制备方法实为必要。
发明内容
以下将以实施例说明一种纳米级增强体在镁基金属中均匀分布的镁基复合材料及一种工序简单、适合工业化生产的镁基复合材料的制备方法。
一种镁基复合材料，包括镁基金属，其中，该镁基复合材料进一步包括至少一纳米级增强体薄膜设置于上述镁基金属中。
一种镁基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：提供至少二镁基板和至少一纳米级增强体薄膜；将该纳米级增强体薄膜设置于二镁基板之间，形成一预制体；以及热轧该预制体，形成镁基复合材料。
与现有技术相比较，所述的镁基复合材料采用将纳米级增强体薄膜夹于两镁基板之间形成预制体，再将此预制体通过热轧的方式形成复合材料，纳米级增强体在薄膜中均匀分布，从而在形成后的镁基复合材料中均匀分布，解决了在镁基复合材料制备过程中纳米级增强体不易分散的问题，工艺简单、易操作、可以实现生产过程连续化和批量生产，适合工业化生产的要求。并且，生产出的镁基复合材料具有层状结构，镁基金属层与镁基复合层交替排列，提高了镁基复合材料的强度和韧性，镁基复合层层数越多，在镁基复合材料中起到的增强增韧的效果越明显。
附图说明
图1是本技术方案镁基复合材料的制备方法的流程示意图。
图2是本技术方案第一实施例镁基板过渡层的形成过程示意图。
图3是本技术方案第一实施例纳米级增强体覆盖于镁基板过渡层表面的结构示意图。
图4是本技术方案第一实施例镁基复合材料预制体的结构示意图。
图5是本技术方案第一实施例对镁基复合材料预制体进行热轧过程的示意图。
图6是本技术方案第一实施例的镁基复合材料的结构示意图。
图7是本技术方案第二实施例的镁基复合材料的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本技术方案提供的一种镁基复合材料及其制备方法作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例镁基复合材料的制备方法主要包括以下几个步骤：
(一)提供一第一镁基板和一第二镁基板。
本实施方式所提供之第一镁基板和第二镁基板可以是纯镁板或镁合金板。当所提供之镁基板为镁合金板时，该镁合金板的组成元素除镁外，还含有锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙等合金元素的一种或多种，其中镁元素的质量百分含量为80％以上。并且，该第一镁基板与第二镁基板可以具有相同的元素组成，也可以具有不同的元素组成。镁基板厚度为0.1毫米(mm)至1mm，优选为0.3mm。并且第一镁基板和第二镁基板可以为具有相同的宽度的镁基金属板带材。
(二)分别在第一镁基板及第二镁基板一表面形成一过渡层。
过渡层可以通过真空蒸镀、溅射、沉积等表面处理的方法形成。
本实施例采用真空蒸镀法在镁基板一表面形成过渡层。第一镁基板表面的过渡层为在一真空蒸镀机中形成。请参阅图2，真空蒸镀机至少包括一真空腔体110、一钨舟120、一靶材130、一支撑架140，钨舟120、靶材130及支撑架140置于真空腔体110内部。真空蒸镀过程中，将第一镁基板210置于支撑架140上，钨舟120在高电流的作用下产生高热量，将靶材130加热成液态，蒸发至支撑架140上的第一镁基板210一表面上，形成第一过渡层220。
第二镁基板230表面的第二过渡层240的形成过程与第一镁基板210表面的第一过渡层220的形成过程相同。靶材130为镍金属或镍合金。第一过渡层220与第二过渡层240的成分为镍金属层或含镍的合金层。当靶材130及第一过渡层220和第二过渡层240的成分为含镍合金层时，该含镍合金层的组成元素除镍外还含有镁、铝、锌等。在镁基板表面形成过渡层有利于在之后的热轧过程中促进纳米级增强体薄膜与镁基体表面键合，从而提高镁基复合材料的强度和韧性。
(三)提供至少一纳米级增强体薄膜。
本实施方式所提供之纳米级增强体薄膜可以是碳纳米管(CNTs)薄膜或碳纤维薄膜。纳米级增强体薄膜的质量百分含量为镁基复合材料总质量的0.5％至2％，优选为1％。本实施例中所用之纳米级增强体薄膜为碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜的形成方式为通过从碳纳米管阵列中拉膜的方法制备。该拉膜的方法进一步包括以下步骤：
首先，提供一碳纳米管阵列，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。
其次，采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管薄膜。
其具体包括以下步骤：(a)从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管片断，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管片断；(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管片断，以形成一连续的碳纳米管薄膜。
此过程可进一步包括将多层碳纳米管薄膜重叠，形成一多层的碳纳米管薄膜结构。其中，每层碳纳米管薄膜中的碳纳米管均为有序排列或择优取向排列，并且，各层中碳纳米管薄膜中碳纳米管排列的方向可以为同一方向，也可以为不同方向。
可以理解，碳纳米管薄膜的制备方法不局限于上述的拉膜方式，例如，通过挤压碳纳米管阵列的方式形成一碳纳米管薄膜或形成一碳纳米管絮化薄膜，其实质在于能够得到一自支撑的碳纳米管薄膜，该纳米级增强体薄膜中纳米级增强体为无序排列，沿不同方向有序排列或择优取向排列。因此，依据本发明精神对本发明所述碳纳米管薄膜的制备方法做其它非实质性变化，都应包含在本发明所要求的保护范围内。
(四)将纳米级增强体薄膜设置于第一镁基板过渡层表面。
请参阅图3，将纳米级增强体薄膜250设置于第一镁基板210的过渡层220表面，可以通过将一碳纳米管薄膜或碳纤维薄膜覆盖于第一镁基板过渡层上形成。
可以理解，可直接将碳纳米管薄膜或碳纤维薄膜粘附于第一镁基板210表面。
(五)将第二镁基板覆盖于上述纳米级增强体薄膜上，以形成一预制体。
请参阅图4，将固定于第一镁基板210的第一过渡层220表面的纳米级增强体薄膜250上覆盖第二镁基板230，使第二镁基板230的第二过渡层240朝向纳米级增强体薄膜250，以形成一预制体200。该预制体200由第一镁基板210、第一过渡层220、第二镁基板230、第二过渡层240及纳米级增强体薄膜250组成，该纳米级增强体薄膜250位于第一过渡层220与第二过渡层240之间。
(六)热轧该预制体，形成镁基复合材料。
请参阅图5，预制体200的热轧过程为在一热轧机300中进行，该热轧机至少包括轧辊310，上述轧辊310可以被加热至一定温度。并且，该热轧机还进一步包括一预热箱320，预制体200热轧前在预热箱320中加热。上述预热箱320及轧辊310的加热温度为300℃至400℃。
预制体的热轧具体包括以下步骤：
首先，将预制体及热轧机的轧辊预热。
本实施例中，将预制体200送入预热箱320中，在300℃至400℃下预热10分钟，并在将预制体200预热的同时，使热轧机300的轧辊310加热到相同温度。将预制体200在热轧前通过预热箱320预热，使第一镁基板210与第二镁基板230相互之间具有更好的结合能力，有助于在热轧过程中使第一镁基板210与第二镁基板230有效复合。
其次，将预热后的预制体送入热轧机轧辊之间，热轧该预制体，形成镁基复合材料。
热轧机300的轧辊310对预制体200产生一压力，并且，由于轧辊310与预制体200具有相同的温度，使预制体200第一镁基板210与第二镁基板230更易结合。
通过此热轧过程，镁基金属渗入纳米级增强体间隙中，与纳米级增强体复合，形成一镁基复合层，通过此镁基复合层将该镁基复合层两侧的镁合金板结合为一个整体，并且，纳米级增强体在镁基复合层中可以为无序排列、沿不同方向有序排列或择优取向排列。
(七)对热轧后的产物进行退火处理，得到镁基复合材料。
该退火处理是在高真空加热炉中进行的。退火温度为180℃至320℃，退火时间为2至3小时。将热轧后的产物在高真空加热炉中进行退后处理后，即得到镁基复合材料。通过将热轧后的产物进行退火处理，可以清除热轧时在镁基板内产生的内应力。
本实施例所得到的镁基复合材料400如图6所示。镁基体渗入纳米级增强体间隙中，与纳米级增强体复合，形成一镁基复合层430，在镁基复合材料400中通过该镁基复合层430将第一镁基板210与第二镁基板230结合为一整体。可以发现，此镁基复合材料400包含三层结构，第一镁基金属层410、第二镁基金属层420及镁基复合层430。镁基复合层430位于第一镁基金属层410与第二镁基金属层420之间。第一镁基金属层410与第二镁基金属层420厚度为0.2至0.4mm，镁基复合层430厚度为1纳米(nm)至100nm。
上述实施例中提供了一种镁基复合材料的制备方法。在该方法中，由于纳米基增强体组成一自支撑薄膜结构，并且纳米级增强体在该自支撑薄膜结构中均匀分布，因此得到的镁基复合材料不存在纳米级增强体团聚问题，纳米级增强体在镁基金属中的分布更为均匀。另外，将纳米级增强体分布于镁基复合层中比将纳米级增强体分布于整个镁基复合材料中更易于实施。
如图7所示，本技术方案第二实施例提供了一种具有五层结构的镁基复合材料500，其包含第一镁基金属层510、第二镁基金属层520、第三镁基金属层530，及第一镁基复合层540、第二镁基复合层550，镁基金属层与镁基复合层交替排列，每一镁基复合层位于两镁基金属层之间。镁基金属层厚度为0.2至0.4mm，镁基复合层厚度为1nm至100nm。
第二实施例中的镁基复合材料500的制备方法与第一实施例基本相同，与第一实施例不同的是，所述预制体的形成进一步包括以下步骤：在第二镁基板远离第一镁基板的表面形成第三过渡层；在第三过渡层表面覆盖另一纳米级增强体薄膜；提供第三镁基板，并在第三镁基板一表面形成第四过渡层；在第三过渡层表面上的纳米级增强体薄膜上覆盖第三镁基板，并使第三镁基板的第四过渡层朝向该纳米级增强体薄膜，形成一预制体。
此预制体的形成也可以进一步包括以下步骤：提供第一实施例形成之镁基复合材料300、第二纳米级增强体薄膜及第三镁基板；在镁基复合材料300一表面形成第三过渡层；在第三镁基板一表面形成第四过渡层；在第三过渡层表面覆盖第二纳米级增强体薄膜；在该纳米级增强体薄膜上覆盖第三镁基板，并使第三镁基板表面的第四过渡层朝向该纳米级增强体薄膜，形成一预制体。
可以理解，上述镁基复合材料的制备方法可以推广到多层镁基板与多层纳米级增强体薄膜复合，从而形成多层结构的预制体。将此多层结构的预制体热轧后所得到的镁基复合材料中包含多层镁基复合层及多层镁基金属层交替排布，并且，每层镁基复合层均位于两镁基金属层之间。
所述的镁基复合材料的制备方法利用多层镁基板与纳米级增强体进行层叠，可以生产出不同厚度，包含多层镁基复合层的板带材，镁基复合层的层数越多，在镁基复合材料中增强增韧的效果越明显。另外，利用热轧的方法直接将镁基板与纳米级增强体薄膜复合，工艺简单、易操作、适合工业化生产的应用。此种复合材料将形变镁合金强度高、延展性及力学性能好的特点与纳米级增强体的增强增韧作用相结合，得到具有较好综合机械性能的镁基复合材料。
可以理解，所述实施方式不局限于采用碳纳米管(CNTs)薄膜或碳纤维薄膜，任何其它增强相，只要具有自支撑的薄膜结构，均在本发明限定范围内。所述实施方式不局限于采用在镁基板表面覆盖纳米级增强体薄膜的方式使纳米级增强体薄膜均匀分布于镁基板表面，任何其他方式，如直接在镁基板表面生长碳纳米管，只要能起到上述将纳米级增强体设置于镁基板表面，并且纳米级增强体均匀分布之效果，均在本发明限定范围内。
可以理解，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种镁基复合材料，包括镁基金属，其特征在于，该镁基复合材料进一步包括至少一纳米级增强体薄膜设置于上述镁基金属中。
2.如权利要求1所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的纳米级增强体薄膜为单层薄膜或多层薄膜。
3.如权利要求2所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的纳米级增强体薄膜中纳米级增强体为无序排列，沿不同方向有序排列或择优取向排列。
4.如权利要求1所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的纳米级增强体薄膜为自支撑薄膜结构。
5.如权利要求1所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的纳米级增强体薄膜为碳纳米管薄膜或碳纤维薄膜。
6.如权利要求5所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的镁基复合材料中纳米级增强体薄膜的质量百分含量为0.5％至2％。
7.如权利要求1所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的镁基复合材料为多层结构，该多层结构包括至少两层镁基金属层与至少一层镁基复合层，该镁基金属层与镁基复合层交替排布，镁基复合层位于镁基金属层之间，该纳米级增强体薄膜位于镁基复合层中。
8.如权利要求1所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的镁基金属为纯镁或镁合金。
9.如权利要求8所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的镁合金为镁和锡、锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙中的一种或多种组成的合金。
10.如权利要求9所述的镁基复合材料，其特征在于，所述的镁合金中镁的质量百分含量大于80％。
11.一种镁基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
提供至少二镁基板和至少一纳米级增强体薄膜；
将该纳米级增强体薄膜设置于二镁基板之间，形成一预制体；以及
热轧该预制体，形成镁基复合材料。
12.如权利要求11所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的预制体的形成进一步包括以下步骤：
分别在至少二镁基板一表面形成至少一过渡层；
将纳米级增强体薄膜设置于至少二镁基板的过渡层之间，形成一预制体。
13.如权利要求12所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的过渡层为镍金属层或含镍的合金层。
14.如权利要求13所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的含镍合金层为镍和镁、铝、锌中的一种或多种组成的合金。
15.如权利要求12所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的过渡层的形成方法为蒸镀法、溅射法及沉积法中的一种。
16.如权利要求11所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的预制体的形成进一步包括以下步骤：
提供一第一镁基板；
在第一镁基板一表面生长一碳纳米管阵列；以及
提供一第二镁基板覆盖在碳纳米管阵列上，形成一预制体。
17.如权利要求11所述的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，进一步包括对镁基复合材料进行退火处理过程。
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