CN105543598A - 一种增强镁基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种增强镁基复合材料的制备方法，涉及通过把纤维或细丝与熔融金属接触制造含有非金属纤维或细丝的合金，是一种通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，在液相机械搅拌混合基础上，通过放电等离子体烧结工艺制备碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的方法，克服了现有的增强镁基复合材料的制备方法所存在的碳纳米管合成效果不佳、易发生结构破坏和增强效果差，增强相在镁基体中分布不均，增强相-镁基体易发生不良界面反应，碳纳米管-氧化铝复合增强相结构设计不佳，不适合作为镁基复合材料的增强相，所制得的镁基复合材料的力学性能不理想的诸多缺陷。

Description

一种增强镁基复合材料的制备方法
技术领域
本发明的技术方案涉及通过把纤维或细丝与熔融金属接触制造含有非金属纤维或细丝的合金，具体地说是一种增强镁基复合材料的制备方法。
背景技术
镁基复合材料是以镁或镁合金为基体材料，以颗粒、晶须或纤维为增强相的一种金属基复合材料。镁基复合材料继承了纯镁密度低、减振性好、阻尼性和切削性好的优点，克服了纯镁硬度低和化学性质不稳定的缺点，具有热稳定性好、高比模量和高比刚度的优异性能。因此，作为一种综合性能优异的新型金属基复合材料，镁基复合材料在航空航天、通讯设备、机械制造以及汽车工业等高新技术领域中有巨大的应用前景。但是，随着制造业的迅猛发展，各应用领域对镁基复合材料的性能提出了更高要求；同时，镁基复合材料的制备技术仍存在一些有待解决的问题，例如，难以实现纳米增强相在镁基复合材料中的均匀分散，增强相易与化学性质活泼的镁基体发生不良界面反应形成脆性界面反应层，这些问题导致了镁基复合材料仍存在抗拉强度相对较低、热膨胀系数高及尺寸稳定性差的性能缺陷。因此，研发镁基复合材料的创新制备技术，实现增强相弥散分布，改善增强相与镁基体的界面结合效果都成为近年来镁基复合材料研究的热点。
自发现碳纳米管以来，碳纳米管一直是国际新材料领域研究的前沿及热点。碳纳米管不仅具有轻质特性，而且具有极高的弹性模量和弯曲强度，将其作为镁或镁合金为基体材料的增强相能够在保持镁基复合材料轻质特性的同时，改善镁基体的物理和力学性能，因此是镁基复合材料的理想增强材料。关于碳纳米管增强镁基复合材料研究的现有技术也被报道。CN102676859A报道了一种原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，采用Co/Mg催化剂、化学气相沉积法在镁基体上生长碳纳米管，短时球磨后，经过压制成型、烧结、热挤压得到原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料。CN102206793B报道了一种碳纳米管-氧化铝复合增强镁基复合材料的制备方法，将氧化铝和硝酸铁原材料加入到去离子水中，经干燥脱水、煅烧后获得氧化铁/氧化铝催化剂前躯体，经化学气相沉积反应制得碳纳米管-氧化铝复合增强相，并采用搅拌铸造法制得碳纳米管-氧化铝复合增强镁基复合材料。上述现有的增强镁基复合材料的制备方法，普遍存在的缺陷是：制备过程中碳纳米管的合成效果不佳，发生了结构破坏，增强效果降低；增强相在镁基体中分布不均，且与镁基体材料发生了不良界面反应，镁基体存在氧化问题；碳纳米管-氧化铝复合增强相的结构设计不佳，不适合作为镁基复合材料的增强相，所制得的镁基复合材料的力学性能不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种增强镁基复合材料的制备方法，是一种通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，在液相机械搅拌混合基础上，通过放电等离子体烧结工艺制备碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的方法，克服了现有的增强镁基复合材料的制备方法所存在的碳纳米管合成效果不佳、易发生结构破坏和增强效果差，增强相在镁基体中分布不均，增强相-镁基体易发生不良界面反应，碳纳米管-氧化铝复合增强相结构设计不佳，不适合作为镁基复合材料的增强相，所制得的镁基复合材料的力学性能不理想的诸多缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种增强镁基复合材料的制备方法，是一种通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，在液相机械搅拌混合基础上，通过放电等离子体烧结工艺制备碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的方法，具体步骤如下：
第一步，碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的制备：
将乙酸镍加入到乙苯中，确保乙酸镍在乙苯中的浓度为0.2～1.0g/mL，使用磁力搅拌机以350～650r/min的转速对上述液体进行搅拌5～20min，使乙酸镍在乙苯中充分溶解制得乙酸镍的乙苯溶液，将所需量的粒径为20～100nm的纳米碳化硅颗粒置于石英方舟中，将该石英方舟置于水平管式炉恒温区，封闭该管式炉后通过真空泵使石英方舟所在处的真空度达到-0.1～-0.05MPa，而后以550～1000mL/min的流速向该管式炉中通入氢气，同时以400～1000mL/min的流速向该管式炉中通入氩气，并将该管式炉升温至700～1100℃，待温度恒定后关闭氩气，然后通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管，即以0.1～3mL/min的速度向管式炉中通入上述制得的乙酸镍的乙苯溶液，保证碳化硅与乙酸镍的质量比为1.8～11.2:1，同时通入流速为100～600mL/min氢气和流速为5～60mL/min丙烯的混合气体并保持20～60min，所通入的乙酸镍的乙苯溶液中的乙酸镍催化剂受热变成蒸气后，均匀分布在纳米碳化硅颗粒周围的反应气氛中并被置于石英方舟中的所有纳米碳化硅颗粒表面所吸附，进而在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，之后停止通入乙酸镍的乙苯溶液和丙烯，并调节氢气流速至45～200mL/min，使管式炉在氢气气氛下冷至室温，在石英方舟中制得具有纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管结构的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，该复合增强相中碳纳米管的质量百分比含量为4.7～32.5％；
第二步，碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末的制备：
取5～30g第一步制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相放入100～400mL丙酮中形成悬浊液，再将100～400目的镁粉加入到上述悬浊液中，保证碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉的质量比为0.005～0.2:1，在机械搅拌机上以300～550r/min的转速搅拌上述混合物15～55min，而后将该混合物在温度为45～95℃和真空度为-0.1～-0.05MPa的真空干燥箱中烘干，得到碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末；
第三步，碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的制备：
将第二步制得的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末放入石墨模具中，将该石墨模具放入放电等离子体烧结装置中，对该烧结装置腔体抽真空至-10Pa以下，而后以50～250mL/min的流速通入氩气，并对上述石墨模具中的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末施加20～50MPa的压力，通过控制放电等离子体烧结工艺过程中的电流使石墨模具以45～125℃/min的升温速度升至烧结温度660～900℃，并保持该烧结温度1～9min，在上述升温和保温阶段，保持氩气流量和施加压力恒定，保温阶段结束后，使上述石墨模具在氩气氛围下冷却至室温，制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，该镁基复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.023～5.417％，碳化硅的质量百分含量为0.336～15.883％。
上述一种增强镁基复合材料的制备方法，所述在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，该碳纳米管的平均长度为480～520nm。
上述一种增强镁基复合材料的制备方法，所涉及的原材料均通过商购获得，所用的设备和工艺均是本技术领域的技术人员所熟知的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明方法所具有突出的实质性特点和显著进步如下：
(1)本发明方法的实质是以纳米碳化硅为碳纳米管合成和输运的载体，实现碳纳米管增强相在镁基体中的弥散分布，利用碳化硅、碳纳米管与镁基体的弥散强化和载荷传递效果来增强镁基复合材料。本发明方法以纳米碳化硅颗粒、乙苯和乙酸镍为原材料，通过浮动催化法利用乙酸镍催化剂前躯体在氢气和丙烯气氛下，制得碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，在丙酮中将碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉混合后，通过放电等离子体烧结工艺制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料。本发明方法的创新点在于：1)以物理和化学性质均稳定，同时也是镁基体良好增强相的纳米碳化硅为碳纳米管合成载体，采用浮动催化法制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，既保证了碳纳米管良好的石墨化程度，又通过碳化硅颗粒实现碳纳米管的均匀分散；2)通过放电等离子体烧结工艺制备了碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，保证了碳纳米管的结构完整性、与镁基体良好的界面结合和优异增强效果的发挥，实现了碳纳米管-碳化硅原位复合增强相对镁基体的混杂增强，显著提高了镁基体的力学性能。
(2)本发明在设计和实施过程中，充分考虑了乙酸镍催化剂颗粒在纳米碳化硅颗粒表面的弥散分布，考虑了碳纳米管和碳化硅复合增强相中二者的尺寸协调性等问题。首先，创新地采用了浮动催化法进行碳纳米管合成，液相的乙酸镍催化剂喷雾到石英管中受热变成蒸气后，均匀分布在碳化硅周围的反应气氛中并在表面能高的纳米碳化硅表面进行吸附，避免了催化剂颗粒的团聚问题，从而合成了产率高达32.5％、管径与长度均一及纯度高的碳纳米管，使得碳纳米管-碳化硅原位复合增强相具有良好的复合材料增强效果。其次，优选了粒径20～100nm的纳米碳化硅颗粒作为碳纳米管合成的载体，通过对合成工艺的精心设计，在其上合成了平均长度为480～520nm的碳纳米管，保证了两种增强相的尺度协调，使得该碳纳米管-碳化硅原位复合增强相增强镁基体时，既通过纳米碳化硅实现了碳纳米管的均匀分散、发挥了其对镁基体的辅助增强作用，又使得力学性能优异、增强效果优于碳化硅的碳纳米管的增强效果得以充分发挥，从而使得镁基体的力学性能得到显著提高。因此，本发明碳纳米管合成产率高、合成效果好，碳纳米管-碳化硅原位复合增强相中两者尺寸协调，使得碳纳米管的优异增强效果得以充分发挥，适合作为镁基复合材料的混杂增强相。
而现有技术CN103754878B的碳纳米管合成效果不佳。首先，对碳纳米管合成的研究表明，CN103754878B在化学气相沉积过程中，采用分解能力较弱的甲烷作为碳源不利于碳源的充分供给和高产率碳纳米管的生长(从该专利实施例可知，其碳纳米管含量仅在2％～20％范围内)。其次，该专利技术在液相中通过金属醋酸盐与氨水的沉积沉淀反应获得碳化硅与催化剂氢氧化物的混合物，经过静置沉积、清洗、抽滤和煅烧环节在碳化硅表面制得催化剂的氧化物，后经氢气还原在碳化硅表面获得金属催化剂，用于碳纳米管的生长。在沉积沉淀的过程中，催化剂的氢氧化物为絮状沉淀物，难以实现在碳化硅表面的均匀分布，且在清洗、抽滤和煅烧环节中都会造成该絮状沉淀物的团聚，不可避免的会造成碳化硅颗粒表面金属催化剂的团聚(如该专利附图2所示，在碳化硅颗粒表面的金属催化剂颗粒粒径不均一，有明显的团聚现象；由发明内容可知，碳化硅表面制备的催化剂的氧化物颗粒为1～200nm之间，粒径分布不均)。金属催化剂的团聚会导致其比表面积、表面活性和催化活性的下降，使得碳纳米管的产率低、石墨化程度低、管径和长度不均；同时，碳纳米管的合成研究表明，一般仅直径小于20nm的金属纳米颗粒才能对碳原子起到有效催化和沉积作用，而该专利催化剂氧化物颗粒为1～200nm之间，远大于20nm的有效催化剂粒径，大量金属催化剂团聚体必然会导致无定形碳、碳包覆金属纳米颗粒等杂质相的出现，如该专利附图2所示，合成产物中碳纳米管的长度和管径不均一且团聚严重，产物中有明显的圆形颗粒存在，是团聚的催化剂颗粒或碳包覆金属纳米颗粒，上述由于催化剂颗粒团聚导致的碳纳米管合成效果不佳，会明显影响其对镁基体的增强效果。再次，由该专利发明内容和实施例可知，该专利技术制备的碳化硅颗粒的粒径是10～100μm，远大于其1微米左右的碳纳米管长度，即在该专利制得的碳纳米管-碳化硅复合结构中，两者的尺寸比例不协调、增强效果差异较大，碳化硅的尺寸为碳纳米管长度的10～100倍，使得作为复合材料的增强相时，碳纳米管的增强作用微乎其微。综上所述，从作为镁基复合材料增强相的角度考虑，该专利的碳纳米管合成产率和纯度低、石墨化程度低、管径和长度不均，碳化硅与碳纳米管的尺寸差异大，使得碳纳米管增强效果差，导致其不适合作为镁基复合材料的增强相。因此，CN103754878B制备的碳纳米管不适合作为镁基复合材料的增强相。
(3)本发明在设计和实施过程中，充分考虑了如何实现碳纳米管的高产率和良好合成效果，如何避免复合材料制备过程中碳纳米管的结构破坏和镁基体的不良反应等问题，设计并实现了通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，通过放电等离子体烧结工艺制备碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的新方法。首先，采用浮动催化法，在高熔点和化学性质稳定的纳米碳化硅颗粒上生长出形貌和结构好、均匀分布的碳纳米管，既解决了后续碳纳米管在镁基体中的团聚的问题，又实现了在碳化硅基体上合成产率高、具有良好石墨化程度的碳纳米管合成，获得了结构新颖、增强效果优异的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相。而后，在液相机械搅拌混合的基础上，通过放电等离子体烧结工艺制备镁基复合材料，保持了碳纳米管的结构完整性和镁基体的稳定性，避免了现有技术原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法中存在的碳纳米管的结构破坏和镁基体的氧化的缺陷，实现了碳纳米管-碳化硅原位复合增强相在镁基体中的均匀分散及其对镁基体的混杂增强，显著提高了镁基体的力学性能。
而现有技术CN102676859A是通过沉积沉淀法制备催化剂前躯体CoO/Mg，通过氢气还原制得Co/Mg催化剂，并在此基础上通过化学气相沉积法制备碳纳米管和镁的复合粉末，即镁既作为Co催化剂载体，又作为碳纳米管合成载体。众所周知，在碳纳米管合成过程中，氧化铝、氧化硅等陶瓷相都是常用的过渡族金属催化剂载体和碳纳米管合成载体，其原因在于陶瓷相具有稳定的物理和化学性质，不易与催化剂载体发生互溶或反应，从而保证过渡族金属催化剂良好的分散和良好催化效果的发挥。而镁的熔点较低，仅为649℃，同时镁具有活泼的化学性能，在较低的温度下即可与氧和其它多种金属发生化学反应。首先，为避免镁的熔化，镁较低的熔点限制了该专利碳纳米管的合成温度仅为450～520℃，而对碳纳米管合成的大量研究都表明，合成温度是影响碳纳米管合成效果的最关键因素，随合成温度升高，碳纳米管的产率、石墨化程度等均升高，因此，较低的合成温度必然会导致该专利碳纳米管的合成产率和石墨化程度低，合成效果不佳。其次，由镁-钴相图可知，在较低的温度下两者即可形成MgCo2相，因此，在该专利催化剂和碳纳米管的制备过程中，难以避免镁基体和钴催化剂的不良反应和两者之间的互溶与扩散，从而导致钴催化剂催化效果的降低，进而导致碳纳米管的合成产率和石墨化程度低，合成效果不佳。再次，研究表明，即使通过严格的工艺控制，也难以避免高温下镁与氧反应生成不良的氧化镁，该专利附图5复合粉末的X射线衍射图中也有明显的MgO衍射峰存在，这说明该专利复合材料中必然存在较严重的镁氧化现象，会恶化镁基复合材料的力学性能。最后，该专利还采用球磨的方法进行碳纳米管和镁复合粉末的混合，也会进一步加重镁基体的氧化，并会在碳纳米管表面形成结构缺陷，降低了碳纳米管自身的物理和力学性能，使得其在镁基体中的增强效果下降。综上所述，该专利碳纳米管的合成产率和石墨化程度低，合成效果不佳，制备过程中增强相和基体材料易发生不良结构变化，使得最终得到的镁基复合材料力学性能不佳。
而现有技术CN102206793B采用铸造过程中的外加法进行碳纳米管-氧化铝增强镁基复合材料制备，导致增强相在基体中分布不均，碳纳米管易产生结构破坏，镁熔体与增强相反应形成脆性界面反应层等不良问题，同样使所制得的镁基复合材料力学性能差。
(4)用本发明方法所制得的碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的密度为1.6～1.7g/cm3，线膨胀为(20～22)×10-6/K，抗拉强度达到312～336MPa，其力学性能明显高于上述现有技术制得的镁基复合材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为实施例1所制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的X射线衍射图。
图2为实施例1所制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的扫描电子显微镜照片。
图3为实施例1所制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相中碳纳米管的低倍透射电子显微镜照片。
图4为实施例1所制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相中碳纳米管的高倍透射电子显微镜照片。
图5为实施例1所制得的碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的拉伸断面扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
实施例1
第一步，碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的制备：
将乙酸镍加入到乙苯中，确保乙酸镍在乙苯中的浓度为0.2g/mL，使用磁力搅拌机以350r/min的转速对上述液体进行搅拌5min，使乙酸镍在乙苯中充分溶解制得乙酸镍的乙苯溶液，将所需量的粒径为20nm的纳米碳化硅颗粒置于石英方舟中，将该石英方舟置于水平管式炉恒温区，封闭该管式炉后通过真空泵使石英方舟所在处的真空度达到-0.1MPa，而后以550mL/min的流速向该管式炉中通入氢气，同时以400mL/min的流速向该管式炉中通入氩气，并将该管式炉升温至700℃，待温度恒定后关闭氩气，然后通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管，即以0.1mL/min的速度向管式炉中通入上述制得的乙酸镍的乙苯溶液，保证碳化硅与乙酸镍的质量比为11.2:1，同时通入流速为100mL/min氢气和流速为5mL/min丙烯的混合气体并保持20min，所通入的乙酸镍的乙苯溶液中的乙酸镍催化剂受热变成蒸气后，均匀分布在纳米碳化硅颗粒周围的反应气氛中并被置于石英方舟中的所有纳米碳化硅颗粒表面所吸附，进而在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，该碳纳米管的平均长度为480nm，之后停止通入乙酸镍的乙苯溶液和丙烯，并调节氢气流速至45mL/min，使管式炉在氢气气氛下冷至室温，在石英方舟中制得具有纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管结构的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，该复合增强相中碳纳米管的质量百分比含量为4.7％；
图1为本实施例所制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的X射线衍射图。由该图可见，在衍射角26.2度附件出现了明显的衍射峰，对应于石墨(002)晶面的特征峰，表明了样品中碳纳米管的存在和良好的石墨化程度；其余的衍射峰分别对应于镍催化剂和碳化硅的特征峰。
图2为本实施例所制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的扫描电子显微镜照片。由该图可见，在作为镍催化剂的载体碳化硅中，合成了大量碳纳米管，碳纳米管管体平直、分散均匀，无缠绕团聚现象；一些碳化硅纳米颗粒附着于碳纳米管表面，与碳纳米管形成了分子水平混合和良好的机械结合，可作为复合增强相在镁基体中发挥混杂增强的效果。
图3为本实施例所制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相中碳纳米管的低倍透射电子显微镜照片。由该图可见，所合成的碳纳米管为多壁碳纳米管，其长径比大，管径均匀，具有较高的中空度；纳米碳化硅颗粒均匀附着到碳纳米管管壁表面，且与碳纳米管结合良好。上述结构理想的碳纳米管以及碳纳米管-碳化硅原位复合增强相结构，有利于后续在镁基体中两者共同发挥混杂增强的效果。
图4为本实施例所制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相中碳纳米管的高倍透射电子显微镜照片。由该图可见，碳纳米管直径约70nm，石墨层厚度约20nm，管体平直，管壁外侧未出现不完整的石墨层，石墨化程度良好；纳米碳化硅颗粒附着于碳纳米管外表面，即使经过透射电镜制样过程中的超声分散也未从碳纳米管表面剥落，即通过原位合成两者间形成了分子水平的混合和极强的界面结合。
第二步，碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末的制备：
取5g第一步制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相放入100mL丙酮中形成悬浊液，再将100目的镁粉加入到上述悬浊液中，保证碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉的质量比为0.005:1，在机械搅拌机上以300r/min的转速搅拌上述混合物15min，而后将该混合物在温度为45℃和真空度为-0.1MPa的真空干燥箱中烘干，得到碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末；
第三步，碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的制备：
将第二步制得的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末放入石墨模具中，将该石墨模具放入放电等离子体烧结装置中，对该烧结装置腔体抽真空至-10Pa以下，而后以50mL/min的流速通入氩气，并对上述石墨模具中的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末施加20MPa的压力，通过控制放电等离子体烧结工艺过程中的电流使石墨模具以45℃/min的升温速度升至烧结温度660℃，并保持该烧结温度1min，在上述升温和保温阶段，保持氩气流量和施加压力恒定，保温阶段结束后，使上述石墨模具在氩气氛围下冷却至室温，制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，该镁基复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.023％，碳化硅的质量百分含量为0.474％。
图5为本实施例所制得的碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的拉伸断面扫描电子显微镜照片。由该图可见，在镁基复合材料的拉伸断面有大量韧窝存在，表现为塑性断裂而非脆性断裂，即碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的加入在提高镁基体强度的同时未显著降低镁基体的塑性；在拉伸断面上可以观察到弥散分布的碳纳米管和碳化硅颗粒，两者可通过镁基体向碳纳米管转移载荷、弥散强化、位错强化和细晶强化等直接和间接强化机制强化镁基体，使得镁基体的力学性能显著提高。
实施例2
本实施例的实施条件和过程同实施例1，不同之处在于第二步中碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉的质量比为0.2:1，制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，该镁基复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.783％，碳化硅的质量百分含量为15.883％。
实施例3
第一步，碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的制备：
将乙酸镍加入到乙苯中，确保乙酸镍在乙苯中的浓度为1.0g/mL，使用磁力搅拌机以650r/min的转速对上述液体进行搅拌20min，使乙酸镍在乙苯中充分溶解制得乙酸镍的乙苯溶液，将所需量的粒径为100nm的纳米碳化硅颗粒置于石英方舟中，将该石英方舟置于水平管式炉恒温区，封闭该管式炉后通过真空泵使石英方舟所在处的真空度达到-0.05MPa，而后以1000mL/min的流速向该管式炉中通入氢气，同时以1000mL/min的流速向该管式炉中通入氩气，并将该管式炉升温至1100℃，待温度恒定后关闭氩气，然后通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管，即以3mL/min的速度向管式炉中通入上述制得的乙酸镍的乙苯溶液，保证碳化硅与乙酸镍的质量比为1.8:1，同时通入流速为600mL/min氢气和流速为60mL/min丙烯的混合气体并保持60min，所通入的乙酸镍的乙苯溶液中的乙酸镍催化剂受热变成蒸气后，均匀分布在纳米碳化硅颗粒周围的反应气氛中并被置于石英方舟中的所有纳米碳化硅颗粒表面所吸附，进而在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，该碳纳米管的平均长度为500nm，之后停止通入乙酸镍的乙苯溶液和丙烯，并调节氢气流速至200mL/min，使管式炉在氢气气氛下冷至室温，在石英方舟中制得具有纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管结构的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，该复合增强相中碳纳米管的质量百分比含量为32.5％；
第二步，碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末的制备：
取30g第一步制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相放入400mL丙酮中形成悬浊液，再将400目的镁粉加入到上述悬浊液中，保证碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉的质量比为0.2:1，在机械搅拌机上以550r/min的转速搅拌上述混合物55min，而后将该混合物在温度为95℃和真空度为-0.05MPa的真空干燥箱中烘干，得到碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末；
第三步，碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的制备：
将第二步制得的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末放入石墨模具中，将该石墨模具放入放电等离子体烧结装置中，对该烧结装置腔体抽真空至-10Pa以下，而后以250mL/min的流速通入氩气，并对上述石墨模具中的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末施加50MPa的压力，通过控制放电等离子体烧结工艺过程中的电流使石墨模具以125℃/min的升温速度升至烧结温度900℃，并保持该烧结温度9min，在上述升温和保温阶段，保持氩气流量和施加压力恒定，保温阶段结束后，使上述石墨模具在氩气氛围下冷却至室温，制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，该镁基复合材料中碳纳米管的质量百分含量为5.417％，碳化硅的质量百分含量为11.250％。
实施例4
本实施例的实施条件和过程同实施例3，不同之处在于第二步中碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉的质量比为0.005:1，制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，该镁基复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.162％，碳化硅的质量百分含量为0.336％。实施例5
第一步，碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的制备：
将乙酸镍加入到乙苯中，确保乙酸镍在乙苯中的浓度为0.6g/mL，使用磁力搅拌机以500r/min的转速对上述液体进行搅拌15min，使乙酸镍在乙苯中充分溶解制得乙酸镍的乙苯溶液，将所需量的粒径为50nm的纳米碳化硅颗粒置于石英方舟中，将该石英方舟置于水平管式炉恒温区，封闭该管式炉后通过真空泵使石英方舟所在处的真空度达到-0.3MPa，而后以750mL/min的流速向该管式炉中通入氢气，同时以700mL/min的流速向该管式炉中通入氩气，并将该管式炉升温至900℃，待温度恒定后关闭氩气，然后通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管，即以1.5mL/min的速度向管式炉中通入上述制得的乙酸镍的乙苯溶液，保证碳化硅与乙酸镍的质量比为6.5:1，同时通入流速为350mL/min氢气和流速为30mL/min丙烯的混合气体并保持40min，所通入的乙酸镍的乙苯溶液中的乙酸镍催化剂受热变成蒸气后，均匀分布在纳米碳化硅颗粒周围的反应气氛中并被置于石英方舟中的所有纳米碳化硅颗粒表面所吸附，进而在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，该碳纳米管的平均长度为520nm，之后停止通入乙酸镍的乙苯溶液和丙烯，并调节氢气流速至120mL/min，使管式炉在氢气气氛下冷至室温，在石英方舟中制得具有纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管结构的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，该复合增强相中碳纳米管的质量百分比含量为14.3％；
第二步，碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末的制备：
取15g第一步制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相放入250mL丙酮中形成悬浊液，再将200目的镁粉加入到上述悬浊液中，保证碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉的质量比为0.1:1，在机械搅拌机上以400r/min的转速搅拌上述混合物35min，而后将该混合物在温度为70℃和真空度为-0.08MPa的真空干燥箱中烘干，得到碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末；
第三步，碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的制备：
将第二步制得的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末放入石墨模具中，将该石墨模具放入放电等离子体烧结装置中，对该烧结装置腔体抽真空至-10Pa以下，而后以150mL/min的流速通入氩气，并对上述石墨模具中的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末施加35MPa的压力，通过控制放电等离子体烧结工艺过程中的电流使石墨模具以80℃/min的升温速度升至烧结温度750℃，并保持该烧结温度5min，在上述升温和保温阶段，保持氩气流量和施加压力恒定，保温阶段结束后，使上述石墨模具在氩气氛围下冷却至室温，制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，该镁基复合材料中碳纳米管的质量百分含量为1.300％，碳化硅的质量百分含量为7.791％。
上述所有实施例中所涉及的原料、试剂、设备均是公知的，所涉及的操作工艺是本技术领域的技术人员熟知的。

Claims (2)

1.一种增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：一种增强镁基复合材料的制备方法，是一种通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管制备碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，在液相机械搅拌混合基础上，通过放电等离子体烧结工艺制备碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的方法，具体步骤如下：
第一步，碳纳米管-碳化硅原位复合增强相的制备：
将乙酸镍加入到乙苯中，确保乙酸镍在乙苯中的浓度为0.2～1.0g/mL，使用磁力搅拌机以350～650r/min的转速对上述液体进行搅拌5～20min，使乙酸镍在乙苯中充分溶解制得乙酸镍的乙苯溶液，将所需量的粒径为20～100nm的纳米碳化硅颗粒置于石英方舟中，将该石英方舟置于水平管式炉恒温区，封闭该管式炉后通过真空泵使石英方舟所在处的真空度达到-0.1～-0.05MPa，而后以550～1000mL/min的流速向该管式炉中通入氢气，同时以400～1000mL/min的流速向该管式炉中通入氩气，并将该管式炉升温至700～1100℃，待温度恒定后关闭氩气，然后通过浮动催化法在纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管，即以0.1～3mL/min的速度向管式炉中通入上述制得的乙酸镍的乙苯溶液，保证碳化硅与乙酸镍的质量比为1.8～11.2:1，同时通入流速为100～600mL/min氢气和流速为5～60mL/min丙烯的混合气体并保持20～60min，所通入的乙酸镍的乙苯溶液中的乙酸镍催化剂受热变成蒸气后，均匀分布在纳米碳化硅颗粒周围的反应气氛中并被置于石英方舟中的所有纳米碳化硅颗粒表面所吸附，进而在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，之后停止通入乙酸镍的乙苯溶液和丙烯，并调节氢气流速至45～200mL/min，使管式炉在氢气气氛下冷至室温，在石英方舟中制得具有纳米碳化硅颗粒上原位生长碳纳米管结构的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相，该复合增强相中碳纳米管的质量百分比含量为4.7～32.5％；
第二步，碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末的制备：
取5～30g第一步制得的碳纳米管-碳化硅原位复合增强相放入100～400mL丙酮中形成悬浊液，再将100～400目的镁粉加入到上述悬浊液中，保证碳纳米管-碳化硅原位复合增强相与镁粉的质量比为0.005～0.2:1，在机械搅拌机上以300～550r/min的转速搅拌上述混合物15～55min，而后将该混合物在温度为45～95℃和真空度为-0.1～-0.05MPa的真空干燥箱中烘干，得到碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末；
第三步，碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料的制备：
将第二步制得的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末放入石墨模具中，将该石墨模具放入放电等离子体烧结装置中，对该烧结装置腔体抽真空至-10Pa以下，而后以50～250mL/min的流速通入氩气，并对上述石墨模具中的碳纳米管-碳化硅-镁复合粉末施加20～50MPa的压力，通过控制放电等离子体烧结工艺过程中的电流使石墨模具以45～125℃/min的升温速度升至烧结温度660～900℃，并保持该烧结温度1～9min，在上述升温和保温阶段，保持氩气流量和施加压力恒定，保温阶段结束后，使上述石墨模具在氩气氛围下冷却至室温，制得碳纳米管-碳化硅混杂增强镁基复合材料，该镁基复合材料中碳纳米管的质量百分含量为0.023～5.417％，碳化硅的质量百分含量为0.336～15.883％。
2.根据权利要求1所述一种增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述在纳米碳化硅颗粒上原位催化生长碳纳米管，该碳纳米管的平均长度为480～520nm。
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