鎂基複合材料及其製備方法

2023-05-21 06:15:31 2

專利名稱：鎂基複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種複合材料及其製備方法，尤其涉及一種鎂基複合材料及 其製備方法。
背景技術：
鎂合金是現代結構金屬材料中最輕的一種，純鎂的密度約為1.74克每 立方釐米，為鋁密度的2/3，鋼密度的1/4。鎂合金的優點是密度小，比強度、 比鋼度高，減震性好，同時還具有優良的鑄造性能、切削加工性能、導熱性 能和電磁屏蔽性能，被廣泛應用於汽車製造業、航空、航天、光學儀器製造 和國防等領域。
根據成形工藝及合金元素的不同，鎂合金材料主要分為鑄造鎂合金和變 形鎂合金兩大類。變形鎂合金通過在合金中加入有利於提高其形變特性的元 素，擠壓、軋制、鍛造的方法固態成形，通過變形生產尺寸多樣的板、棒、 管、型材及鍛件產品。由於變形加工消除了鑄造組織缺陷及細化了晶粒，故 與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金具有更高的強度、更好的延展性和更好的力 學性能，同時生產成本更低。
但是，現有技術中製備的鎂合金的韌性及強度均不能達到工業上的要 求。為解決這一問題， 一般採用向鎂合金中加入納米級增強體的方式提高材 料的強度和韌性(Goh C.S.， Wei J., Lee L.C.， Gupta M.， Nanotechnology， vol 17: p7(2006))。然而，現有技術中製備鎂基複合材料一般採用鑄造方法，如粉末 冶金、熔體滲透、攪拌鑄造、等。上述這些方法形成的鎂基複合材料一般為 鑄錠的形式。在後續加工中需要通過擠壓、軋制、鍛造等方法製成所需型材， 工藝步驟繁瑣。並且，在鎂合金熔融狀態中分散納米級增強體較為困難，容 易引起納米級增強體的團聚，造成分散不均勻；使用粉末冶金方法雖然可以 使這一問題相對改善，但是粉末冶金法在生產過程中存在金屬粉末燃燒、爆 炸等危險。另外，這些方法製備工藝均相對複雜、設備成本高、不易大規模 工業化生產。
有鑑於此，提供一種納米級增強體在鎂基金屬中均勻分布的鎂基複合材 料及一種簡單易行、適合工業化生產的鎂基複合材料的製備方法實為必要。

發明內容
以下將以實施例說明 一種納米級增強體在鎂基金屬中均勻分布的鎂基 複合材料及一種工序簡單、適合工業化生產的鎂基複合材料的製備方法。
一種鎂基複合材料，包括鎂基金屬，其中，該鎂基複合材料進一步包括 至少一納米級增強體薄膜設置於上述鎂基金屬中。
一種鎂基複合材料的製備方法，其包括以下步驟提供至少二鎂基板和 至少一納米級增強體薄膜;將該納米級增強體薄膜設置於二鎂基板之間，形成 一預製體；以及熱軋該預製體，形成鎂基複合材料。
與現有技術相比較，所述的鎂基複合材料採用將納米級增強體薄膜夾於 兩鎂基板之間形成預製體，再將此預製體通過熱軋的方式形成複合材料，納 米級增強體在薄膜中均勻分布，從而在形成後的鎂基複合材料中均勻分布， 解決了在鎂基複合材料製備過程中納米級增強體不易分散的問題，工藝簡 單、易操作、可以實現生產過程連續化和批量生產，適合工業化生產的要求。 並且，生產出的鎂基複合材料具有層狀結構，鎂基金屬層與鎂基複合層交替 排列，提高了鎂基複合材料的強度和韌性，鎂基複合層層數越多，在鎂基復 合材料中起到的增強增韌的效果越明顯。


圖1是本技術方案鎂基複合材料的製備方法的流程示意圖。 圖2是本技術方案第 一 實施例鎂基板過渡層的形成過程示意圖。 圖3是本技術方案第 一實施例納米級增強體覆蓋於鎂基板過渡層表面的 結構示意圖。
圖4是本技術方案第一實施例鎂基複合材料預製體的結構示意圖。 圖5是本技術方案第 一 實施例對鎂基複合材料預製體進行熱軋過程的示 意圖。
圖6是本技術方案第 一 實施例的鎂基複合材料的結構示意圖。 圖7是本技術方案第二實施例的鎂基複合材料的結構示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖及具體實施例，對本技術方案提供的一種鎂基複合材料 及其製備方法作進一 步的詳細說明。
請參閱圖1,本發明第一實施例鎂基複合材料的製備方法主要包括以下
幾個步驟
(一) 提供一第一鎂基板和一第二鎂基板。
本實施方式所提供之第 一鎂基板和第二鎂基板可以是純鎂板或鎂合金 板。當所提供之鎂基板為鎂合金板時，該鎂合金板的組成元素除鎂外，還含 有鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、鈣等合金元素的一種或多種，其中鎂元素 的質量百分含量為80%以上。並且，該第一鎂基板與第二鎂基板可以具有相 同的元素組成，也可以具有不同的元素組成。鎂基板厚度為0.1毫米(mm) 至lmm，優選為0.3mm。並且第一鎂基板和第二鎂基板可以為具有相同的 寬度的鎂基金屬板帶材。
(二) 分別在第一鎂基板及第二鎂基板一表面形成一過渡層。 過渡層可以通過真空蒸鍍、濺射、沉積等表面處理的方法形成。
本實施例採用真空蒸鍍法在鎂基板一表面形成過渡層。第 一鎂基板表面 的過渡層為在一真空蒸鍍機中形成。請參閱圖2，真空蒸鍍機至少包括一真 空腔體110、 一鴒舟120、 一靶材130、 一支撐架140，鴒舟120、靶材130 及支撐架140置於真空腔體110內部。真空蒸鍍過程中，將第一鎂基板210 置於支撐架140上，鎢舟120在高電流的作用下產生高熱量，將靶材130加 熱成液態，蒸發至支撐架140上的第一鎂基板210—表面上，形成第一過渡 層220。
第二鎂基板230表面的第二過渡層240的形成過程與第 一鎂基板210表 面的第一過渡層220的形成過程相同。耙材130為鎳金屬或鎳合金。第一過 渡層220與第二過渡層240的成分為鎳金屬層或含鎳的合金層。當靶材130 及第一過渡層220和第二過渡層240的成分為含鎳合金層時，該含鎳合金層 的組成元素除鎳外還含有鎂、鋁、鋅等。在鎂基板表面形成過渡層有利於在 之後的熱軋過程中促進納米級增強體薄膜與鎂基體表面鍵合，從而提高鎂基 複合材料的強度和韌性。
(三) 提供至少一納米級增強體薄膜。
本實施方式所提供之納米級增強體薄膜可以是碳納米管(CNTs)薄膜或 碳纖維薄膜。納米級增強體薄膜的質量百分含量為鎂基複合材料總質量的 0.5%至2%，優選為1%。本實施例中所用之納米級增強體薄膜為碳納米管薄 膜。該碳納米管薄膜的形成方式為通過從碳納米管陣列中拉膜的方法製備。 該拉膜的方法進一步包括以下步驟
首先，提供一碳納米管陣列，優選地，該陣列為超順排碳納米管陣列。 其次，採用 一拉伸工具從碳納米管陣列中拉取獲得至少一碳納米管薄膜。
其具體包括以下步驟(a)從上述碳納米管陣列中選定一定寬度的多個 碳納米管片斷，本實施例優選為採用具有一定寬度的膠帶接觸碳納米管陣列 以選定一定寬度的多個碳納米管片斷；(b)以一定速度沿基本垂直於碳納米 管陣列生長方向拉伸該多個碳納米管片斷，以形成一連續的碳納米管薄膜。
此過程可進一步包括將多層碳納米管薄膜重疊，形成一多層的碳納米管 薄膜結構。其中，每層碳納米管薄膜中的碳納米管均為有序排列或擇優取向 排列，並且，各層中碳納米管薄膜中碳納米管排列的方向可以為同一方向， 也可以為不同方向。
可以理解，碳納米管薄膜的製備方法不局限於上述的拉膜方式，例如， 通過擠壓碳納米管陣列的方式形成一碳納米管薄膜或形成一碳納米管絮化 薄膜，其實質在於能夠得到一自支撐的碳納米管薄膜，該納米級增強體薄膜 中納米級增強體為無序排列，沿不同方向有序排列或擇優取向排列。因此， 依據本發明精神對本發明所述碳納米管薄膜的製備方法做其它非實質性變 化，都應包含在本發明所要求的保護範圍內。
(四) 將納米級增強體薄膜設置於第一鎂基板過渡層表面。 請參閱圖3，將納米級增強體薄膜250設置於第一鎂基板210的過渡層
220表面，可以通過將一碳納米管薄膜或碳纖維薄膜覆蓋於第一鎂基板過渡 層上形成。
可以理解，可直接將碳納米管薄膜或碳纖維薄膜粘附於第一鎂基板210 表面。
(五) 將第二鎂基板覆蓋於上述納米級增強體薄膜上，以形成一預製體。 請參閱圖4,將固定於第一鎂基板210的第一過渡層220表面的納米級
增強體薄膜250上覆蓋第二鎂基板230,使第二鎂基板230的第二過渡層240 朝向納米級增強體薄膜250，以形成一預製體200。該預製體200由第一鎂 基板210、第一過渡層220、第二鎂基板230、第二過渡層240及納米級增強 體薄膜250組成，該納米級增強體薄膜250位於第一過渡層220與第二過渡 層240之間。
(六) 熱軋該預製體，形成鎂基複合材料。
請參閱圖5，預製體200的熱軋過程為在一熱軋才幾300中進行，該熱軋 才幾至少包括軋輥310,上述軋輥310可以;故加熱至一定溫度。並且，該熱軋 才幾還進一步包括一預熱箱320，預製體200熱軋前在預熱箱320中加熱。上 述預熱箱320及軋輥310的加熱溫度為300。C至400°C。
預製體的熱軋具體包括以下步驟
首先，將預製體及熱軋機的軋輥預熱。
本實施例中，將預製體200送入預熱箱320中，在300。C至40(TC下預 熱10分鐘，並在將預製體200預熱的同時，使熱軋機300的軋輥310加熱 到相同溫度。將預製體200在熱軋前通過預熱箱320預熱，使第 一鎂基板210 與第二鎂基板230相互之間具有更好的結合能力，有助於在熱軋過程中使第 一鎂基板210與第二鎂基板230有效複合。
其次，將預熱後的預製體送入熱軋機軋輥之間，熱軋該預製體，形成鎂 基複合材料。
熱軋才幾300的軋輥310對預製體200產生一壓力，並且，由於軋輥310 與預製體200具有相同的溫度，使預製體200第一鎂基板210與第二鎂基板 230更易結合。
通過此熱軋過程，鎂基金屬滲入納米級增強體間隙中，與納米級增強體 複合，形成一鎂基複合層，通過此鎂基複合層將該鎂基複合層兩側的鎂合金 板結合為一個整體，並且，納米級增強體在鎂基複合層中可以為無序排列、
沿不同方向有序排列或擇優取向排列。
(七) 對熱軋後的產物進行退火處理，得到鎂基複合材料。
該退火處理是在高真空加熱爐中進行的。退火溫度為18(TC至320。C, 退火時間為2至3小時。將熱軋後的產物在高真空加熱爐中進行退後處理後， 即得到鎂基複合材料。通過將熱軋後的產物進行退火處理，可以清除熱軋時
在鎂基板內產生的內應力。
本實施例所得到的鎂基複合材料400如圖6所示。鎂基體滲入納米級增 強體間隙中，與納米級增強體複合，形成一鎂基複合層430,在鎂基複合材 料400中通過該鎂基複合層430將第一鎂基板210與第二鎂基板230結合為 一整體。可以發現，此鎂基複合材料400包含三層結構，第 一鎂基金屬層410、 第二鎂基金屬層420及鎂基複合層430。鎂基複合層430位於第一鎂基金屬 層410與第二鎂基金屬層420之間。第一鎂基金屬層410與第二鎂基金屬層 420厚度為0.2至0.4mm，鎂基複合層430厚度為1納米(nm )至100nm。
上述實施例中提供了一種鎂基複合材料的製備方法。在該方法中，由於 納米基增強體組成一 自支撐薄膜結構，並且納米級增強體在該自支撐薄膜結 構中均勻分布，因此得到的鎂基複合材料不存在納米級增強體團聚問題，納 米級增強體在鎂基金屬中的分布更為均勻。另外，將納米級增強體分布於鎂
基複合層中比將納米級增強體分布於整個鎂基複合材料中更易於實施。
如圖7所示，本技術方案第二實施例提供了一種具有五層結構的鎂基復 合材料500，其包含第一鎂基金屬層510、第二鎂基金屬層520、第三鎂基金 屬層530，及第一鎂基複合層540、第二鎂基複合層550,鎂基金屬層與鎂基 複合層交替排列，每一鎂基複合層位於兩鎂基金屬層之間。鎂基金屬層厚度 為0.2至0.4mm, 4美基複合層厚度為lnm至100nm。
第二實施例中的鎂基複合材料500的製備方法與第一實施例基本相同， 與第一實施例不同的是，所述預製體的形成進一步包括以下步驟在第二鎂 基板遠離第一鎂基板的表面形成第三過渡層；在第三過渡層表面覆蓋另一納 米級增強體薄膜；提供第三鎂基板，並在第三鎂基板一表面形成第四過渡層； 在第三過渡層表面上的納米級增強體薄膜上覆蓋第三鎂基板，並使第三鎂基 板的第四過渡層朝向該納米級增強體薄膜，形成一預製體。
此預製體的形成也可以進一步包括以下步驟提供第 一 實施例形成之鎂 基複合材料300、第二納米級增強體薄膜及第三鎂基板；在鎂基複合材料300 一表面形成第三過渡層；在第三鎂基板一表面形成第四過渡層；在第三過渡 層表面覆蓋第二納米級增強體薄膜；在該納米級增強體薄膜上覆蓋第三鎂基 板，並使第三鎂基板表面的第四過渡層朝向該納米級增強體薄膜，形成一預 制體。
可以理解，上述鎂基複合材料的製備方法可以推廣到多層鎂基板與多層 納米級增強體薄膜複合，從而形成多層結構的預製體。將此多層結構的預製 體熱軋後所得到的鎂基複合材料中包含多層鎂基複合層及多層鎂基金屬層交 替排布，並且，每層鎂基複合層均位於兩鎂基金屬層之間。
所述的鎂基複合材料的製備方法利用多層鎂基板與納米級增強體進行層 疊，可以生產出不同厚度，包含多層鎂基複合層的板帶材，鎂基複合層的層 數越多，在鎂基複合材料中增強增韌的效果越明顯。另外，利用熱軋的方法 直接將鎂基板與納米級增強體薄膜複合，工藝簡單、易操作、適合工業化生 產的應用。此種複合材料將形變鎂合金強度高、延展性及力學性能好的特點 與納米級增強體的增強增韌作用相結合，得到具有較好綜合機械性能的鎂基 複合材料。
可以理解，所述實施方式不局限於採用碳納米管(CNTs)薄膜或碳纖維薄 膜，任何其它增強相，只要具有自支撐的薄膜結構，均在本發明限定範圍內。 所述實施方式不局限於採用在鎂基板表面覆蓋納米級增強體薄膜的方式使納 米級增強體薄膜均勻分布於鎂基板表面，任何其他方式，如直接在鎂基板表 面生長碳納米管，只要能起到上述將納米級增強體設置於鎂基板表面，並且 納米級增強體均勻分布之效果，均在本發明限定範圍內。
可以理解，對於本領域的普通技術人員來說，可以根據本技術方案和技 術構思做出其他各種相應的改變和變形，而所有這些改變和變形都應屬於本 發明權利要求的保護範圍。
權利要求
1. 一種鎂基複合材料，包括鎂基金屬，其特徵在於，該鎂基複合材料進一步包括至少一納米級增強體薄膜設置於上述鎂基金屬中。
2. 如權利要求1所述的4tt複合材料，其特徵在於，所述的納米級增強體薄膜 為單層薄膜或多層薄膜。
3. 如權利要求2所述的鎂基複合材料，其特徵在於，所述的納米級增強體薄膜 中納米級增強體為無序排列，沿不同方向有序排列或擇優取向排列。
4. 如權利要求1所述的鎂基複合材料，其特徵在於，所述的納米級增強體薄膜為自支撐薄膜結構。
5. 如權利要求1所述的鎂基複合材料，其特徵在於，所述的納米級增強體薄膜為碳納米管薄膜或碳纖維薄膜。
6. 如權利要求5所述的4美基複合材料，其特徵在於，所述的鎂基複合材料中納 米級增強體薄膜的質量百分含量為0.5%至2%。
7. 如權利要求1所述的鎂基複合材料，其特徵在於，所述的鎂基複合材料為多 層結構，該多層結構包括至少兩層賴差金屬層與至少一層鎂基複合層，該鎂 基金屬層與鎂基複合層交替排布，鎂基複合層位於鎂基金屬層之間，該納米 級增強體薄膜位於鎂基複合層中。
8. 如權利要求1所述的鎂基複合材料，其特徵在於，所述的鎂基金屬為純鎂或 鎂合金。
9. 如權利要求8所述的鎂基複合材料，其特徵在於，所述的鎂合金為鎂和錫、 鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、釣中的一種或多種組成的合金。
10. 如權利要求9所述的鎂基複合材料，其特徵在於，所述的鎂合金中鎂的質量 百分含量大於80%。
11. 一種鎂基複合材料的製備方法，其包括以下步驟 提供至少二鎂基板和至少 一納米級增強體薄膜； 將該納米級增強體薄膜謬置於二鎂基板之間，形成一預製體；以及 熱軋該預製體，形成鎂基複合材料。
12. 如權利要求11所述的鎂基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述的預製 體的形成進一 步包括以下步驟分別在至少二賴羞板一表面形成至少 一 過渡層；將納米級增強體薄膜設置於至少二4美基板的過渡層之間，形成一預製體。
13. 如權利要求12所述的鎂基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述的過渡 層為鎳金屬層或含鎳的合金層。
14. 如權利要求13所述的鎂基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述的含鎳 合金層為鎳和鎂、鋁、鋅中的一種或多種組成的合金。
15. 如權利要求12所述的鎂基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述的過渡 層的形成方法為蒸鍍法、濺射法及沉積法中的一種。
16. 如權利要求11所述的鎂基複合材料的製備方法，其特徵在於，所述的預製 體的形成進一步包括以下步驟提供一第一鎂基板；在第一鎂基板一表面生長一碳納米管陣列；以及 提供一第二鎂基板覆蓋在碳納米管陣列上，形成一預製體。
17. 如權利要求11所述的鎂基複合材料的製備方法，其特徵在於，進一步包括 對鎂基複合材料進行退火處理過程。
全文摘要
本發明涉及一種鎂基複合材料，包括鎂基金屬，其中，該鎂基複合材料進一步包括至少一納米級增強體薄膜設置於上述鎂基金屬中。本發明還涉及一種鎂基複合材料的製備方法，其包括以下步驟提供至少二鎂基板和至少一納米級增強體薄膜；將該納米級增強體薄膜設置於二鎂基板之間，形成一預製體；以及熱軋該預製體，形成鎂基複合材料。採用本發明方法製備的鎂基複合材料具有更高的強度和韌性，並且工藝簡單、易操作，可廣泛地應用於鎂基複合材料方面。
文檔編號B32B15/04GK101391500SQ2007100773
公開日2009年3月25日 申請日期2007年9月21日 優先權日2007年9月21日
發明者姜開利, 李文珍, 杜青春, 許光良, 陳正士, 陳錦修 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司