[发明专利]一种高强度高导热的碳纳米管增强镁锌铝基复合材料

说明书

一种高强度高导热的碳纳米管增强镁锌铝基复合材料，其屈服强度为271MPa‑308MPa，抗拉强度为343MPa‑382MPa，热导率为96W/(m·K)‑140W/(m·K)，兼具低合金化、高强度和高热导率的特点。该镁基复合材料主要通过粉末冶金法制备，将纯镁粉、锌粉、铝粉与碳纳米管按比例混合压制成块后进行热处理、热挤压和时效处理，最终得到碳纳米管增强的镁锌铝基复合材料。本发明提供的镁基复合材料具有高的强度和热导率，在航空航天、汽车、3C等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及镁基复合材料制备领域，具体为一种高强度高导热的碳纳米管增强镁锌铝基复合材料。

背景技术

镁及镁合金作为一种储量丰富的金属材料，具有密度低、比刚度及比强度高、减震性能好、易回收利用等特点，在航空航天、汽车、3C等领域具有广泛应用前景，被称为“21世纪绿色工程材料”。纯镁具有较好的导热性能，热导率可达156W/(m·K)，在金属中仅次于铜和纯铝，对材料的“轻量化和高散热性”具有明显的优势。但是，纯镁的力学性能较差，铸态时的抗拉强度仅为21MPa，无法满足材料对力学性能的要求。为提高纯镁的力学性能，改善方法主要是合金化，即在纯镁基体中通过添加合金元素，形成固溶体或第二相使合金的力学性能获得提升。然而，依据“Development of high mechanical properties andmoderate thermal conductivity cast Mg alloywith multiple RE via heattreatment”文章的报道，在镁合金中添加一定量的Gd、Nd和Y元素后，镁合金的抗拉强度明显提升，达到306MPa，但由于合金化元素在镁基体中形成置换固溶体，导致基体产生晶格畸变，影响了导热电子和声子的运动，因此合金的热导率大大降低，仅为53W/(m·K)。因此，开发一种新型的力学和导热性能优异的镁合金及其复合材料，对推动镁合金的应用具有重要意义。

碳纳米管(Carbon nanotubes，简称CNTs)自1991年被发现以来，因其优异的力学及物理性能受到了广泛关注。碳纳米管的强度可达～30GPa，约为钢的10-100倍，杨氏模量为～1TPa，为钢的约100倍，热导率为～6000W/(m·K)，电导率为1.5×10⁶S/m。因此，碳纳米管被普遍认为是金属基复合材料的优选增强相。多个研究结果已经表明，在镁合金中添加碳纳米管，可以明显改善镁基复合材料的力学性能。此外，碳纳米管具有极高的稳定性，作为增强体添加到金属镁中，可以在高温下保持其结构的稳定性，不会以碳原子的形式固溶在镁基体中，导致其热导率的降低。因此，可以通过有效控制镁中合金化元素的含量并适量添加碳纳米管，实现镁基复合材料强度和热导率的同步提高。

发明内容

本发明的技术目的主要是针对镁合金由于合金化导致的热导率下降等问题，提供一种兼具低合金化、高强度和高热导率的镁基复合材料。

本发明通过以下技术方案实现，一种高强度高导热的碳纳米管增强镁锌铝基复合材料的制备方法，步骤为：将纯镁粉、纯锌粉、纯铝粉与碳纳米管按比例混合后，压制并进行热处理、热挤压和人工时效处理，得到碳纳米管增强的镁锌铝基复合材料，该材料的屈服强度271MPa-308MPa，抗拉强度343MPa-382MPa，热导率96W/(m·K)-140W/(m·K)。

上述复合材料中锌的百分比含量为6wt.％，铝的含量为0.1wt.％-2.5wt.％，碳纳米管的含量为0.02wt.％-2.5wt.％，镁含量为平衡余量；上述所述热处理温度为500℃，时间为2h。挤压后所述的人工时效温度为175℃，时效时间为10h-24h。