CN110760915A - 一种层状碳纳米管增强镁基复合板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种层状碳纳米管增强镁基复合板材及其制备方法，如下：步骤一、将预处理的镁板作为阴极，负电极选为铂丝，电泳沉积所用的碳纳米管悬浮液是碳纳米管、无水硝酸铝以及蒸馏水组成的混合溶体，将阴极和阳极浸入至配置好的碳纳米管悬浮液中，接通电泳电源后放电沉积，得到碳纳米管均匀分散在镁片表面的单层材料；步骤二、通过搅拌摩擦焊技术，将步骤一所获得的两片单层材料实施对焊，单道次搅拌摩擦焊合完成后在近焊缝1‑3mm处利用线切割实施板材切割，将保留下的对焊材料再与步骤一所获得的单层材料进行对焊处理，依次进行多道次搅拌摩擦焊加工处理，得到层状结构碳纳米管增强镁基复合板材，制备方法操作简便，易加工成型。

Description

一种层状碳纳米管增强镁基复合板材及其制备方法
技术领域
本发明属于镁基复合材料制备技术领域，具体涉及一种层状碳纳米管增强镁基复合板材及其制备方法。
背景技术
镁合金作为最具竞争力的轻质结构材料，在工程应用领域有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景，被称为当代超轻量的绿色金属材料。然而，镁合金的强度较低，刚度也仅为40GPa左右，不及铝合金刚度(-70GPa左右)的2/3，这些缺陷严重的制约了镁合金作为轻质结构材料在诸多轻量化工程领域的应用。特别是，航天航空、交通运输和电子设备等高科技领域所应用的零部件逐渐向轻量化﹑多功能和高精度方向发展，这对轻质高性能结构材料的设计和研发提出了更为苛刻的要求。当今，合金化和复合化是提高金属材料强度和韧性的主要手段和最有效的途径，但是合金化难以同时满足高强度和高刚度的要求，只有复合化才能有效地同时提高金属材料的强度和刚度。因此，复合化方法是唯一能够使强度和刚度同时提高的技术途径。目前，许多研究者已经对传统的镁基复合材料进行了广泛深入的讨论和研究，虽然取得了一些显著性的研究成果，然而该类镁基复合材料的优点和缺点同样突出。传统的镁基复合材料中，通常是以材料的塑形、韧性和损伤容限的巨大损失作为代价，提高材料的强度，其极大地限制了镁基复合材料作为轻质结构材料在工程领域的应用和发展。因此，韧性差是制约传统镁基复合材料应用与发展的主要瓶颈问题。基于上述原因，通过发展新的金属基复合材料设计理念及技术途径，提高镁基复合材料的力学性能(强度、刚度以及韧性)优良，同时不影响其韧性成为当下亟待解决的问题。
当前，碳纳米管(CNTs)作为复合材料增强相的最理想选择，预期将在复合材料中有十分广阔的应用前景。自1991年日本科学家Iijima发现CNTs以来，就因其特有的结构和性能而引起了广泛的关注。碳纳米管的模量与金刚石相同，理论强度达到了106MPa、杨氏模量理论计算值可高达5TPa、应变可达18％，CNTs作为当前力学性能最高的一维纳米材料，也被认为是强化相的终极形式。目前，虽然关于CNTs增强镁基复合材料的研究处于起步阶段，但已有研究结果表明，CNTs的加入可以获得综合性能良好的镁基复合材料。然而，由于碳纳米管比表面积大、比表面能高、缠结严重，且与大多数金属润湿性差等原因，限制了CNTs增强镁基复合材料的进一步发展与应用。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种层状碳纳米管增强镁基复合板材及其制备方法，以解决镁基复合材料强韧性倒置的难题，利用CNTs特有的尺寸效应和形状效应，不会明显的损伤复合材料的塑性，使其同时兼备有良好的强度和韧性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，包括以下步骤：
S101，清理待处理镁板表面，
S102，将碳纳米管均匀地分散酸溶液中充分酸洗之后，再进行清洗，然后抽滤得到滤渣，对滤渣进行清洗并干燥，得到中性碳纳米管；
S103，将S102所得中性碳纳米管加入电泳沉积溶液中，经S101清理后的镁板作为阴极，采用铂电极作为阳极，进行电泳沉积，使碳纳米管在镁板表面均匀分布，得到镁板初级制品；
S200，取两块步骤103所制备的镁板初级制品进行对接，在对接处采用搅拌摩擦焊工艺进行焊接，形成具有一道焊缝的整块镁板；
S201，沿着所述S200所述焊缝方向在近焊缝处切割已经焊接的镁板，形成两块镁板；
S202，再将S201所得两块镁板采用相同的搅拌摩擦焊工艺进行焊接，紧邻S200所述焊缝形成一道新的焊缝，再次沿着所述新的焊缝方向近焊缝处切割已经焊接的镁板，再次形成两块镁板，如此循环形成具有多道焊缝的层状碳纳米管增强镁基复合板材。
S101清理镁板表面具体如下：
首先，采用不同规格尺寸的砂纸进行去痕处理，并对去痕处理的镁板表面进行清洗，然后采用硫酸溶液对清洗后的镁板表面进行浸洗，再采用碱溶液对酸洗后的镁板表面采用碱液侵蚀处理5h。
S102中，对碳纳米管进行酸洗的混和酸溶液采用体积比为3:1的浓硫酸与浓硝酸。
S102中，将碳纳米管加入所述混和酸溶液中，先超声处理，再磁力搅拌，使碳纳米管得到充分酸洗，然后用去离子水清洗稀释，再进行抽滤，将抽滤后的滤渣反复清洗，最后将清洗后的滤渣干燥。
S103中，电泳沉积液包括酸处理的碳纳米管粉体、无水乙醇、丙酮和无水硝酸铝。
S103中，先取酒精与丙酮体积比为1:1的混合溶液，再向混合溶液中依次加入中性碳纳米管，进行超声处理；使混合溶液中碳纳米管浓度为0.05mg/mL-0.2mg/mL，然后加入无水硝酸铝，使无水硝酸铝的浓度为0.01mg/mL-0.4mg/mL，再次超声处理，得到电泳沉积液。
S103中，20V-50V的恒定电压下，沉积时间30s-60s。
S200和S202中切割镁板时采用线切割工艺进行，且切割线距离焊缝边缘1mm-3mm。
S201和S202中，搅拌摩擦焊的行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min，搅拌头的压入量为3.8mm。
采用本发明所述方法制备的层状碳纳米管增强镁基复合板材。
一种采用本发明所述方法制备的层状碳纳米管增强镁基复合板材。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所述制备方法操作简便、易加工成型，以镁合金板作为为母材，碳纳米管作为增强体，通过电泳沉积工艺制备碳纳米管均匀分布于镁板表面的初级板材，电泳沉积之后，碳纳米管均匀的附着在镁板的表面，无团聚现象发生，且碳纳米管与镁板之间的结合良好，再通过搅拌摩擦焊工艺制备层状碳纳米管增强镁基复合板材，所获得的复合材料其屈服强度可达220MPa，抗拉强度可达325MPa，延伸率可保持在6％，碳纳米管强化镁合金，利用CNTs特有的尺寸效应和形状效应，不会明显的损伤复合材料的塑性，并同时兼备有良好的强度和刚度通过本发明制备的层状碳纳米管增强镁基复合材料提高镁基复合材料强度和刚度的同时，没有明显的损伤复合材料的塑性。
进一步的，相较于未处理的碳纳米管，酸洗的碳纳米管的分散均匀性得到显著改善，缠结现象得到有效解决，酸洗之后的碳纳米管结构并没有发生损坏，无序程度也基本没有发生变化，碳纳米管的预处理可以为后续层状结构镁基复合材料的构筑与合格材料的制备做好前期准备。
附图说明
图1是酸洗前的碳纳米管扫描电子显微镜(SEM)照片；
图2是酸洗后的碳纳米管扫描电子显微镜(SEM)照片；
图3是酸洗前后的碳纳米管的拉曼光谱光谱图；
图4是电泳沉积碳纳米管后镁萡表面沉积情况的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图5为层状复合材料和镁合金初始板材的拉伸实验的力学性能对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
在结构材料领域，增强体均匀分散的设计原则为指导的金属基复合材料，通过电泳沉积的方法在镁板表面形成均匀的CNTs层，再经多道次搅拌摩擦焊处理可获得一种综合力学性能优异的层状碳纳米管增强镁基复合材料，本发明为镁基复合材料的设计、应用和发展提供理论支持与实验依据。
以AZ31镁合金为基材制备层状碳纳米管增强镁基复合板材的工艺按以下步骤进行：
步骤一：将镁板依次用360#、800#、1000#和2000#的砂纸进行打磨，皆在采用酒精除去镁表面油污后，待酒精清洗烘干后利用的0.5％的H2SO4溶液浸洗60s，以除去表面的氧化层，并在NaOH(5mol/L)溶液中浸泡5h，以除去固体表面的油脂；由于在酸洗过程中，产生的氢气会有少部分附着在镁板表面，与此同时也会有少量无机盐残留物，所以在碱溶液中浸泡过后，再置于酒精中超声处理1min，以除去附着的少量氢气及无机盐。
电泳沉积过程中镁板作为阴极，铂丝作为阳极，并将两种电极一同浸入电泳沉积液，在20V-50V的恒定电压下进行电泳沉积30s-60s；由于电压沉积液中加入了无水硝酸铝电解质，碳纳米管将会吸附在Al3+上，从而带有正电荷，并在电场的作用下向阴极做定向移动，进而沉积在镁板表面；电泳沉积完成后，得到镁板初级制品，所述镁板初级制品表面均匀分布有碳纳米管，将镁板初级制品电泳沉积液中取出，并进行烘干处理。
步骤二：取步骤一所获得的两块镁板初级制品，通过搅拌摩擦焊技术实施对焊，焊接的行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min，搅拌头的压入量为3.8mm。单道次搅拌摩擦焊合完成后在近焊缝1mm-3mm处利用线切割实施板材切割，将保留下的对焊材料再与步骤一所获得的单层材料进行对焊处理(二道次搅拌摩擦焊加工)，依次进行多道次搅拌摩擦焊加工处理，得到层状结构碳纳米管增强镁基复合材料。
其中，步骤一的碳纳米管酸洗是用量筒量取浓硫酸60mL和浓硝酸20mL加入烧杯中，再称取0.8g-1.2g的碳纳米管加入混酸溶液中，先超声处理2h，使碳纳米管均匀分散在混酸溶液中，再磁力搅拌8h-12h，使碳纳米管充分酸洗，然后再将磁力搅拌后所获混合液用去离子水清洗稀释，再利用真空泵进行抽滤，将抽滤后的滤渣反复清洗，以便使酸处理的碳纳米管接近中性，最后将抽滤后的碳纳米管放置在干燥箱中以65℃的温度下干燥6h-12h。
其中步骤一电泳沉积液按如下步骤配制：用量筒量取无水乙醇和丙酮各300mL混合作为溶剂，并向所述溶剂中加入碳纳米管粉体，使碳纳米管粉体的浓度为0.05mg/mL-0.2mg/mL，随后对其实施超声处理30min，待超声处理结束后，再加人0.06g-0.24g的无水硝酸铝超声处理3h，得到电泳沉积液。
实施例1，本实例方式制备层状碳纳米管增强镁基复合板材的工艺按以下步骤进行：
步骤一：将镁板依次用360#、800#、1000#和2000#的砂纸进行打磨，皆在采用酒精除去镁表面油污后，待酒精清洗烘干后利用0.5％的H2SO4溶液浸洗60s，以除去表面的氧化层，并在NaOH(5mol/L)溶液中浸泡5h，以除去固体表面的油脂；由于在酸洗过程中，产生的氢气会有少部分附着在镁板表面，与此同时也会有少量无机盐残留物，所以在碱溶液中浸泡过后，再置于酒精中超声处理1min，以除去附着的少量氢气及无机盐。
电泳沉积过程中镁板作为阴极，铂丝作为阳极，并将两种电极一同浸入电泳沉积液，在20V的恒定电压下进行电泳沉积60s；由于电压沉积液中加入了无水硝酸铝电解质，碳纳米管将会吸附在Al3+上，从而带有正电荷，并在电场的作用下向阴极做定向移动，进而沉积在镁板表面。电泳沉积完成后，得到镁板初级制品，所述镁板初级制品表面均匀分布有碳纳米管，将镁板初级制品电泳沉积液中取出，并进行烘干处理。
步骤二：取步骤一所获得的两块镁板初级制品，通过搅拌摩擦焊技术实施对焊，焊接的行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min，搅拌头的压入量为3.8mm。单道次搅拌摩擦焊合完成后在近焊缝3mm处利用线切割实施板材切割，将保留下的对焊材料再与步骤一所获得的单层材料进行对焊处理(二道次搅拌摩擦焊加工)，依次进行多道次搅拌摩擦焊加工处理，得到层状结构碳纳米管增强镁基复合材料。
其中，步骤一的碳纳米管酸洗是用量筒量取浓硫酸60mL浓硝酸20mL于烧杯中，再称取0.8g-1.2g的碳纳米管加入混酸溶液中，先超声处理2h，使碳纳米管均匀分散在混酸溶液中，再磁力搅拌8h，使碳纳米管充分酸洗，然后再将磁力搅拌后所获混合液用去离子水清洗稀释，再利用真空泵进行抽滤，将抽滤后的滤渣反复清洗，以便使酸处理的碳纳米管接近中性，最后将抽滤后的碳纳米管放置在干燥箱中以65℃的温度下干燥6h。
其中步骤一电泳沉积液按如下步骤配制：用量筒量取无水乙醇和丙酮各300mL作为溶剂，并向混合溶剂中加入预处理后的0.03g碳纳米管粉体，使碳纳米管溶液的浓度为0.05mg/mL，随后对其实施超声处理30min，待超声处理结束后，再加人0.06g的无水硝酸铝超声处理3h，得到电泳沉积液。
实施例2，本实例方式制备层状碳纳米管增强镁基复合板材的工艺按以下步骤进行：
步骤一：将镁板依次用360#、800#、1000#和2000#的砂纸进行打磨，皆在采用酒精除去镁表面油污后，待酒精清洗烘干后利用0.5％的H2SO4溶液浸洗60s，以除去表面的氧化层，并在NaOH(5mol/L)溶液中浸泡5h，以除去固体表面的油脂；由于在酸洗过程中，产生的氢气会有少部分附着在镁板表面，与此同时也会有少量无机盐残留物，所以在碱溶液中浸泡过后，再置于酒精中超声处理1min，以除去附着的少量氢气及无机盐。
电泳沉积过程中镁板作为阴极，铂丝作为阳极，并将两种电极一同浸入电泳沉积液，在30V的恒定电压下进行电泳沉积45s；由于电压沉积液中加入了无水硝酸铝电解质，碳纳米管将会吸附在Al3+上，从而带有正电荷，并在电场的作用下向阴极做定向移动，进而沉积在镁板表面。电泳沉积完成后，得到镁板初级制品，所述镁板初级制品表面均匀分布有碳纳米管，将镁板初级制品电泳沉积液中取出，并进行烘干处理。
步骤二：取步骤一所获得的两块镁板初级制品，通过搅拌摩擦焊技术实施对焊，焊接的行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min，搅拌头的压入量为3.8mm。单道次搅拌摩擦焊合完成后在近焊缝3mm处利用线切割实施板材切割，将保留下的对焊材料再与步骤一所获得的单层材料进行对焊处理(二道次搅拌摩擦焊加工)，依次进行多道次搅拌摩擦焊加工处理，得到层状结构碳纳米管增强镁基复合材料。
其中，步骤一的碳纳米管酸洗是用量筒量取浓硫酸60mL浓硝酸20mL于烧杯中，再称取0.8g-1.2g的碳纳米管加入混酸溶液中，先超声处理2h，使碳纳米管均匀分散在混酸溶液中，再磁力搅拌9h，使碳纳米管充分酸洗，然后再将磁力搅拌后所获混合液用去离子水清洗稀释，再利用真空泵进行抽滤，将抽滤后的滤渣反复清洗，以便使酸处理的碳纳米管接近中性，最后将抽滤后的碳纳米管放置在干燥箱中以65℃的温度下干燥8h。
其中步骤一电泳沉积液按如下步骤配制：用量筒量取无水乙醇和丙酮各300mL作为溶剂，并向混合溶剂中加入预处理后的0.06mg碳纳米管粉体，使碳纳米管粉体的浓度为0.1mg/mL，随后对其实施超声处理30min，待超声处理结束后，再加人0.12g的无水硝酸铝超声处理3h，得到电泳沉积液。
实施例3，作为本发明优选的实例，制备层状碳纳米管增强镁基复合板材的工艺按以下步骤进行：
步骤一：将镁板依次用360#、800#、1000#和2000#的砂纸进行打磨，皆在采用酒精除去镁表面油污后，待酒精清洗烘干后利用0.5％的H2SO4溶液浸洗60s，以除去表面的氧化层，并在NaOH(5mol/L)溶液中浸泡5h，以除去固体表面的油脂；由于在酸洗过程中，产生的氢气会有少部分附着在镁板表面，与此同时也会有少量无机盐残留物，所以在碱溶液中浸泡过后，再置于酒精中超声处理1min，以除去附着的少量氢气及无机盐。
电泳沉积过程中镁板作为阴极，铂丝作为阳极，并将两种电极一同浸入电泳沉积液，在40V的恒定电压下进行电泳沉积35s；由于电压沉积液中加入了无水硝酸铝电解质，碳纳米管将会吸附在Al3+上，从而带有正电荷，并在电场的作用下向阴极做定向移动，进而沉积在镁板表面。电泳沉积完成后，得到镁板初级制品，所述镁板初级制品表面均匀分布有碳纳米管，将镁板初级制品电泳沉积液中取出，并进行烘干处理。
步骤二：取步骤一所获得的两块镁板初级制品，通过搅拌摩擦焊技术实施对焊，焊接的行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min，搅拌头的压入量为3.8mm。单道次搅拌摩擦焊合完成后在近焊缝1mm-3mm处利用线切割实施板材切割，将保留下的对焊材料再与步骤一所获得的单层材料进行对焊处理(二道次搅拌摩擦焊加工)，依次进行多道次搅拌摩擦焊加工处理，得到层状结构碳纳米管增强镁基复合材料。
其中，步骤一的碳纳米管酸洗是用量筒量取浓硫酸60mL浓硝酸20mL于烧杯中，再称取0.8-1.2g的碳纳米管加入混酸溶液中，先超声处理2h，使碳纳米管均匀分散在混酸溶液中，再磁力搅拌10h，使碳纳米管充分酸洗，然后再将磁力搅拌后所获混合液用去离子水清洗稀释，再利用真空泵进行抽滤，将抽滤后的滤渣反复清洗，以便使酸处理的碳纳米管接近中性，最后将抽滤后的碳纳米管放置在干燥箱中以65℃的温度下干燥10h。
其中步骤一电泳沉积液按如下步骤配制：用量筒量取无水乙醇和丙酮各300mL作为溶剂，并向混合溶剂中加入预处理后的0.09g碳纳米管粉体，使碳纳米管粉体的浓度为0.15mg/mL，随后对其实施超声处理30min，待超声处理结束后再加人0.18g的无水硝酸铝超声处理3h，得到电泳沉积液。
实施例4，作为本发明优选的实例，制备层状碳纳米管增强镁基复合板材的工艺按以下步骤进行：
步骤一：将镁板依次用360#、800#、1000#和2000#的砂纸进行打磨，皆在采用酒精除去镁表面油污后，待酒精清洗烘干后利用0.5％的H2SO4溶液浸洗60s，以除去表面的氧化层，并在NaOH(5mol/L)溶液中浸泡5h，以除去固体表面的油脂；由于在酸洗过程中，产生的氢气会有少部分附着在镁板表面，与此同时也会有少量无机盐残留物，所以在碱溶液中浸泡过后，再置于酒精中超声处理1min，以除去附着的少量氢气及无机盐。
电泳沉积过程中镁板作为阴极，铂丝作为阳极，并将两种电极一同浸入电泳沉积液，在50V的恒定电压下进行电泳沉积30s；由于电压沉积液中加入了无水硝酸铝电解质，碳纳米管将会吸附在Al3+上，从而带有正电荷，并在电场的作用下向阴极做定向移动，进而沉积在镁板表面。电泳沉积完成后，得到镁板初级制品，所述镁板初级制品表面均匀分布有碳纳米管，将镁板初级制品电泳沉积液中取出，并进行烘干处理。
步骤二：取步骤一所获得的两块镁板初级制品，通过搅拌摩擦焊技术实施对焊，焊接的行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min，搅拌头的压入量为3.8mm。单道次搅拌摩擦焊合完成后在近焊缝1mm-3mm处利用线切割实施板材切割，将保留下的对焊材料再与步骤一所获得的单层材料进行对焊处理(二道次搅拌摩擦焊加工)，依次进行多道次搅拌摩擦焊加工处理，得到层状结构碳纳米管增强镁基复合材料。
其中，步骤一的碳纳米管酸洗是用量筒量取浓硫酸60mL浓硝酸20mL于烧杯中，再称取0.8-1.2g的碳纳米管加入混酸溶液中，先超声处理2h，使碳纳米管均匀分散在混酸溶液中，再磁力搅拌12h，使碳纳米管充分酸洗，然后再将磁力搅拌后所获混合液用去离子水清洗稀释，再利用真空泵进行抽滤，将抽滤后的滤渣反复清洗，以便使酸处理的碳纳米管接近中性，最后将抽滤后的碳纳米管放置在干燥箱中以65℃的温度下干燥12h。
其中步骤一电泳沉积液按如下步骤配制：用量筒量取无水乙醇和丙酮各300mL作为溶剂，并向混合溶剂中加入预处理后的0.12g碳纳米管粉体，使碳纳米管粉体的浓度为0.2mg/mL，随后对其实施超声处理30min，待超声处理结束后再加人0.24g的无水硝酸铝超声处理3h，得到电泳沉积液。
如图1和图2所示，相较于未处理的碳纳米管，酸洗的碳纳米管的分散均匀性得到显著改善，缠结现象得到有效解决，碳纳米管的预处理可以为后续层状结构镁基复合材料的构筑与合格材料的制备做好前期准备。
如图3所示，酸洗之后的碳纳米管结构并没有发生损坏，无序程度也基本没有发生变化。
如图4所示，电泳沉积之后，碳纳米管均匀的附着在镁板的表面，无团聚现象发生，且碳纳米管与镁板之间的结合良好。
采用下述实验验证本发明效果：
分别对镁合金材料与层状碳纳米管增强镁基复合材料进行了与拉伸性能的测试。
用本发明所述制备方法得到的材料中加工出标准的拉伸试样，并利用电子万能试验机进行了拉伸性能的测试，其结果如图5所示，与未采用碳纳米管增强的镁板的抗拉强度相比，本发明制备的层状镁基复合材料的提高显著，其抗拉强度达到了325MPa，相较于未增强的合金提高约16.1％，延伸率也达到了10.1％，相较于传统微米尺寸增强体增强复合材料提高明显。

Claims (10)

1.一种层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，清理待处理镁板表面，
S102，将碳纳米管均匀地分散酸溶液中充分酸洗之后，再进行清洗，然后抽滤得到滤渣，对滤渣进行清洗并干燥，得到中性碳纳米管；
S103，将S102所得中性碳纳米管加入电泳沉积溶液中，经S101清理后的镁板作为阴极，采用铂电极作为阳极，进行电泳沉积，使碳纳米管在镁板表面均匀分布，得到镁板初级制品；
S200，取两块步骤103所制备的镁板初级制品进行对接，在对接处采用搅拌摩擦焊工艺进行焊接，形成具有一道焊缝的整块镁板；
S201，沿着所述S200所述焊缝方向在近焊缝处切割已经焊接的镁板，形成两块镁板；
S202，再将S201所得两块镁板采用相同的搅拌摩擦焊工艺进行焊接，紧邻S200所述焊缝形成一道新的焊缝，再次沿着所述新的焊缝方向近焊缝处切割已经焊接的镁板，再次形成两块镁板，如此循环形成具有多道焊缝的层状碳纳米管增强镁基复合板材。
2.根据权利要求1所述的层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，S101清理镁板表面具体如下：
首先，采用不同规格尺寸的砂纸进行去痕处理，并对去痕处理的镁板表面进行清洗，然后采用硫酸溶液对清洗后的镁板表面进行浸洗，再采用碱溶液对酸洗后的镁板表面采用碱液侵蚀处理5h。
3.根据权利要求1所述的层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，S102中，对碳纳米管进行酸洗的混和酸溶液采用体积比为3:1的浓硫酸与浓硝酸。
4.根据权利要求1所述的层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，S102中，将碳纳米管加入所述混和酸溶液中，先超声处理，再磁力搅拌，使碳纳米管得到充分酸洗，然后用去离子水清洗稀释，再进行抽滤，将抽滤后的滤渣反复清洗，最后将清洗后的滤渣干燥。
5.根据权利要求1所述的层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，S103中，电泳沉积液包括酸处理的碳纳米管粉体、无水乙醇、丙酮和无水硝酸铝。
6.根据权利要求5所述的层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，S103中，先取酒精与丙酮体积比为1:1的混合溶液，再向混合溶液中依次加入中性碳纳米管，进行超声处理；使混合溶液中碳纳米管浓度为0.05mg/mL-0.2mg/mL，然后加入无水硝酸铝，使无水硝酸铝的浓度为0.01mg/mL-0.4mg/mL，再次超声处理，得到电泳沉积液。
7.根据权利要求6所述的层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，S103中，20V-50V的恒定电压下，沉积时间30s-60s。
8.根据权利要求1所述的层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，S200和S202中切割镁板时采用线切割工艺进行，且切割线距离焊缝边缘1mm-3mm。
9.根据权利要求1所述的层状碳纳米管增强镁基复合板材的制备方法，其特征在于，S201和S202中，搅拌摩擦焊的行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min，搅拌头的压入量为3.8mm。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述方法制备的层状碳纳米管增强镁基复合板材。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112296505A (zh) * 2020-10-19 2021-02-02 沈阳航空航天大学 一种合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头及其制备方法
CN113061962A (zh) * 2021-04-25 2021-07-02 陕西科技大学 Az31镁合金搅拌摩擦焊接板材及提高其焊接接头性能的方法
CN113249625A (zh) * 2021-05-07 2021-08-13 哈尔滨工程大学 一种高比强度镁锂基复合材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090258232A1 (en) * 2008-04-10 2009-10-15 Lockheed Martin Corporation Metal matrix carbon nanotube composite material and method of making same
CN108179294A (zh) * 2017-12-27 2018-06-19 哈尔滨工业大学 一种制备层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料方法
CN108396163A (zh) * 2018-01-22 2018-08-14 武汉理工大学 碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法
CN108504908A (zh) * 2018-04-17 2018-09-07 福州大学 一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090258232A1 (en) * 2008-04-10 2009-10-15 Lockheed Martin Corporation Metal matrix carbon nanotube composite material and method of making same
CN108179294A (zh) * 2017-12-27 2018-06-19 哈尔滨工业大学 一种制备层状结构的碳纳米管增强镁基复合材料方法
CN108396163A (zh) * 2018-01-22 2018-08-14 武汉理工大学 碳纳米管增强泡沫铝基复合材料的制备方法
CN108504908A (zh) * 2018-04-17 2018-09-07 福州大学 一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112296505A (zh) * 2020-10-19 2021-02-02 沈阳航空航天大学 一种合金-复合材料搅拌摩擦焊接接头及其制备方法
CN113061962A (zh) * 2021-04-25 2021-07-02 陕西科技大学 Az31镁合金搅拌摩擦焊接板材及提高其焊接接头性能的方法
CN113249625A (zh) * 2021-05-07 2021-08-13 哈尔滨工程大学 一种高比强度镁锂基复合材料及其制备方法
CN113249625B (zh) * 2021-05-07 2022-04-05 哈尔滨工程大学 一种高比强度镁锂基复合材料及其制备方法

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