[发明专利]原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，属于镁基复合材料的制备技术。

背景技术

镁基复合材料属于轻金属复合材料的一种，其主要特点是密度低、比强度、比刚度高，同时还具有良好的耐冲击性、耐高温性、耐磨性、优良的减震性能及良好尺寸稳定性等。此外，还具有储氢特性和电磁屏蔽性能等，是一类优秀的结构与功能材料，也是当今高新技术领域中最有希望应用的复合材料之一，在航空航天、电子封装以及汽车等领域中有巨大的应用前景。因此，镁基复合材料成为轻金属基复合材料的研究热点之一。

碳纳米管强度极高，平均杨氏模量可达到1~1.8TPa，大概是钢的100倍，是碳纤维的20倍，弯曲强度可达14.2GPa，所存应变能达100keV，层间剪切强度达500MPa。碳纳米管作为一维中空分子材料，密度只有钢的1/6，重量为碳纤维的1/2。碳纳米管凭借其极高的比强度和比刚度，极低的密度和轴向热膨胀系数和独特的导电和导热性，成为了复合材料最理想的增强相。

以碳纳米管作为增强相制备镁基复合材料时，由于碳纳米管具有极大的比表面积和表面能，造成其极易团聚的性质，而增强相的团聚会严重破坏复合材料的性能，所以提高碳纳米管在镁基体表面的分散性是制备性能优异的碳纳米管/镁复合材料的前提。然而目前制备碳纳米管/镁复合材料绝大部分都属于外加法，主要包括以下两种方法。

①将镁粉和碳纳米管通过研磨或者在乙醇中加入分散剂，进行超声搅拌分散后，压制烧结成型，这种方法工艺虽简单，但是难以解决碳纳米管在镁基体上的团聚问题；②通过球磨将碳纳米管和镁粉混合后，压制烧结成型。球磨在一定程度上能够改善碳纳米管在镁基体上的分散性，但是长时间的球磨会造成碳纳米管的结构破坏，使碳纳米管自身力学性能降低。

 “CN102268580A”的专利提出了一种硼掺杂的碳纳米管增强镁基复合材料的方法，该方法主要过程为：以氧化硼为硼源，将氧化硼和碳纳米管按一定比例混合后，在高温下煅烧，得到硼掺杂的碳纳米管。再利用粉末冶金的方法制备碳纳米管增强镁基复合材料。该方法的不足之处为硼掺杂碳纳米管在镁基体上难以实现均匀的分散。

综上，如何采用简单稳定的制备工艺，在提高碳纳米管在镁基体上的分散性的同时，能够不造成对其结构的破坏，并得到碳纳米管和镁基体间良好的界面结合，是目前研发制备碳纳米管增强镁基复合材料面临的主要课题。

发明内容

本发明的目的提供一种原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法。该方法制备工艺简单易行，所制得的复合材料的强度高。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种原位合成的碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

1）沉积沉淀法制备催化剂前躯体

将六水合硝酸钴与镁粉按质量比0.005~0.05:1加入无水乙醇中，其中，无水乙醇的质量用量为镁粉质量8~30倍，与此同时，将氢氧化钠溶于无水乙醇中，氢氧化钠的质量是六水合硝酸钴质量的0.3-0.35倍，氢氧化钠的乙醇溶液的浓度为0.023~0.075mol/L，然后将氢氧化钠的乙醇溶液逐滴滴入六水合硝酸钴与镁粉的乙醇溶液，边滴定边进行磁力搅拌，滴定后抽滤得到镁粉和氢氧化钴的混合粉末，随后在真空条件下温度40~120℃干燥2~10小时，得到前躯体粉末；

2）制备Co/Mg催化剂

将步骤1）制得的前躯体粉末铺摊在石英舟中，石英舟置于管式炉恒温区，在氩气或氮气保护下以升温速率10℃/min升至温度300~400℃煅烧1~3小时后，再以升温速率10℃/min升至温度400~500℃，以流速100~250mL/min通入氢气还原1~3小时制得Co/Mg催化剂；

3）制备碳纳米管和镁复合粉末

将步骤2）制得的Co/Mg催化剂置于管式炉中，在氩气或者氮气的保护下，将管式炉温以升温速率10℃/min升至温度450~520℃，以流速为200~500mL/min向Co/Mg催化剂通入碳源气和载气的混合气进行20~120分钟的催化裂解反应，其中碳源气为甲烷或者乙炔，载气为氩气、氮气和氢气+氮气之中的一种气体，碳源气与载气的体积比为1：（1~20），催化裂解反应后在氩气或氮气的氛围中管式炉冷却至室温，得到碳纳米管和镁的复合粉末；

4）制备碳纳米管增强镁基复合材料