[发明专利]一种石墨烯/碳纳米管增强镁锂基复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/碳纳米管增强镁锂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：a、先分别制备Mg‑Li‑Al合金铸锭和含碳纳米管/石墨烯增强相的Mg‑Al基复合材料铸锭；b、将两种不同的合金铸锭重新加热形成合金浆料；c、将两种合金浆料混合后浇铸得到含碳纳米管/石墨烯增强相的Mg‑Li基复合材料铸锭；d、将制备得到的Mg‑Li基复合材料铸锭进行热处理和塑性变形。本发明能够通过简单的工艺而有效解决传统复合材料制备工艺过程中石墨烯/碳纳米管易被Li元素所侵蚀导致强化效果降低的问题。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种碳纤维增强镁锂基复合材料的制备方法，尤其涉及一种石墨烯/碳纳米管增强镁锂基复合材料的制备方法。

背景技术

在能源逐渐短缺以及日益严苛的环保要求的大局下，全球工业技术不得不向“轻量化”、“低碳化”和“少污染”方向发展。因此，在电子产品、汽车以及航空航天等产业，通过开发轻质高强的新型材料以减轻装备质量一直都是研究人员长期探索的重点和热点。镁锂合金是目前最轻的金属结构材料，其密度一般仅为1.3-1.65g/cm³，为传统镁合金密度的75％、铝合金的50％左右。由于无可比拟的密度优势，镁锂合金在装备轻量化方面的应用潜力日益凸显。另一方面，我国是世界上镁、锂资源最为丰富的国家之一。我国镁资源矿石总储量位居世界第一，我国锂资源储量约占全世界的1/3，得天独厚的资源优势也为我国大力发展轻质高强镁锂合金产业保驾护航。

尽管镁锂合金在结构减重方面占有优势，但该系列合金仍然存在绝对强度不足、抗腐蚀性能较差以及蠕变性能较低等问题。目前镁锂合金的强化主要依赖于合金化的方法。然而通过合金化后的镁锂合金的时效软化问题非常突出，即固溶处理后的镁锂合金时效过程中性能会大幅度降低，严重影响了镁锂合金制件的性能稳定性。镁锂合金的时效软化主要是由于在时效过程中从基体沉淀析出的第二相会发生分解转变和聚集长大。随着时效时间的延长，细小弥散的的亚稳相会逐渐转变为粗化的稳定相，大大降低第二相强化效果。不难看出，常规的合金化强化对提高镁锂合金的力学性能存在一定局限性。因此，通过向镁锂合金中引入增强相颗粒以制备镁锂合金为基的复合材料则是一种可解决其时效软化的有效方法。这是因为镁锂合金复合材料不仅保留了镁锂合金基体高比强度、高比刚度、优良的导电导热等性能，同时性质稳定的增强相颗粒并不会在时效过程中发生结构转变，有效抑制了镁锂合金的时效软化行为。另外，加入的增强相还可以同时提高镁锂合金的强度和刚度，促进镁锂合金在相关领域的进一步应用。

复合材料的力学性能一般主要由基合金性能、所加入增强相的性能以及增强相/基体之间的界面结合情况共同确定。常用于镁基复合材料中的增强体有石墨烯(GNPs)、碳纳米管(CNTs)、SiC、TiNC、纳米金刚石(ND)、AlN、TiB₂、B₄C和TiC等。在这些增强体中，CNTs和GNPs具有最为优异的抗拉强度(达100GPa)和弹性模量(达1TPa)，同时兼具良好的热稳定性和极低的热膨胀率，非常适合用于镁基复合材料中的增强体。大量研究结果已经证明CNTs和GNPs的加入对AZ、ZK系列镁合金均有显著的强化效果。经文献检索发现，Recentprogress in Mg-Li matrix composites(《Transactions of Nonferrous MetalsSociety of China》2019；29(1)：pp 1-14)中记载了常规镁锂基复合材料的制备方法，主要有搅拌铸造法、压力浸渗法、粉末冶金法、薄膜冶金法以及原位合成法。其中搅拌铸造法、压力浸渗法和原位合成法均需要将镁锂合金熔化，而由于Li元素的化学性质非常活泼，在高温下合金熔体中的Li元素会与CNTs和GNPs迅速反应生成Li₂C₂而严重损伤增强体，导致增强效果不明显。另外，镁锂合金化学性质活泼，在制粉过程中有易燃易爆的高风险，因而粉末冶金法也不是镁锂基复合材料的理想制备方法。薄膜冶金法则是将涂有增强体的Mg-Li合金薄膜重叠后冷轧或温轧多次后形成层间结合的。尽管较低的制备温度抑制了增强体与基体之间的高温界面反应，但增强体与基体之间主要是机械粘合，界面强度较低；同时薄膜冶金法主要是依靠轧制成型，根本无法制备结构复杂的镁锂基复合材料构件。