專利名稱：鎂基復(fù)合材料的制備方法及制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法及制備裝置，尤其涉及一種鎂基復(fù) 合材料的制備方法及制備裝置。
背景技術(shù)：
鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的金屬合金結(jié)構(gòu)材料之一，具有很高的比 強度和比剛度、優(yōu)異的阻尼性、良好的電磁相容性、易加工等優(yōu)點，可廣泛 用于航空航天領(lǐng)域、汽車行業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。但是現(xiàn)有技術(shù)中鎂合金的強
韌性還較低，其強度僅為相同工藝制備鋁合金的50% 70%，而其韌性及塑 性與鋁合金間的差距更大，易發(fā)生潛變，這限制了鎂合金的應(yīng)用范圍。而鎂 合金復(fù)合材料在這方面可以彌補鎂合金的不足。
目前， 一般采用通過外加陶瓷相、纖維、碳納米管(carbon nanotube， CNT) 等增強相來復(fù)合獲得鎂合金復(fù)合材料。在鎂合金材料中加入碳納米管，形成 的復(fù)合材料具有以下優(yōu)點，第一，可以提高復(fù)合材料的抗拉強度，碳納米管 與鎂合金材料復(fù)合時易與其界面結(jié)合良好，使鎂合金-碳納米管復(fù)合材料能 承受更大的抗力；第二，可以提高復(fù)合材料的延伸率，碳納米管與鎂合金材 料基體浸潤性及界面結(jié)合力好，使鎂合金-碳納米管復(fù)合材料具有更優(yōu)異的 性能。
現(xiàn)有技術(shù)中，常采用粉末冶金法、噴射沉積法、熔體浸滲法和攪拌鑄造 法制備鎂基復(fù)合材料，但是所制備的鎂基復(fù)合材料中存在著碳納米管分散不 均勻(請參見，Development of novel carbon nanotube reinforced magnesium nanocomposites using the powder metallurgy technique, C S Goh et al., Nanotechnology, vol 17, p7(2006))和碳納米管與鎂合金材料基體浸潤性差的 問題。這是由于碳納米管在液相合金中的低濕潤性而浮到了液相合金的表面， 使得碳納米管在鎂合金材料中發(fā)生偏聚，造成碳納米管在鎂合金材料中分散 不均勻，和鎂合金材料基體的相容性、界面浸潤性差。從而導(dǎo)致了鎂合金-碳納米管復(fù)合材料在抗拉強度和韌性方面沒有達到預(yù)期的要求。因此，碳納
米管的分散以及與基體的結(jié)合力強弱是影響碳納米管增強效果的關(guān)鍵因素。 因此，確有必要提供一種鎂基復(fù)合材料的制備方法及制備裝置，使用該 裝置制備的鎂基復(fù)合材料中的碳納米管分散均勻，且該鎂基復(fù)合材料具有抗 拉強度高及韌性好的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
一種鎂基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟第一步，提供大量的鎂 顆粒和大量的碳納米管，得到鎂顆粒與碳納米管的混合體；第二步，在保護 氣體保護下，加熱上述鎂顆粒與碳納米管混合后得到的混合體，形成一半固
態(tài)漿料；第三步，對上述的半固態(tài)漿料施加電磁攪拌，以使碳納米管在半固 態(tài)漿料中均勻分散；第四步，將上述均勻分散有碳納米管的半固態(tài)漿料注射 進一壓鑄模具中，冷卻后，得到一鎂基復(fù)合材料。
一種制備上述鎂基復(fù)合材料的制備裝置，包括一定量輸送裝置、 一觸變 成形機、 一電磁攪拌器和一注射成形機。上述定量輸送裝置包括一進料口和 一輸送帶，其中進料口與輸送帶相連通。上述觸變成形機包括一加熱桶和一 噴嘴，噴嘴設(shè)置在加熱桶的第一端，上述定量輸送裝置的輸送帶與加熱桶第 二端相連通。上述觸變成形機進一步包括一加熱帶、 一螺桿及一單向閥。加 熱帶圍繞在加熱桶的外圍。螺桿設(shè)置在加熱桶內(nèi)軸心處。單向閥設(shè)置于上述 螺桿之上。上述電;茲攪拌器包括一感應(yīng)線圈和一電源，該感應(yīng)線圏設(shè)置于加 熱桶第一端的加熱帶的外圍。上述注射成形機包括一壓鑄才莫具。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述的鎂基復(fù)合材料的制備方法通過對鎂顆粒和碳 納米管形成的半固態(tài)漿料施加電磁攪拌，能有效避免碳納米管浮到半固態(tài)漿 料表面的現(xiàn)象，使得碳納米管在半固態(tài)漿料中不發(fā)生偏聚，保證碳納米管在 半固態(tài)漿料中均勻分散的同時具有很好的流動性。從而使得碳納米管和鎂合 金材料基體的相容性、界面浸潤性好，可以獲得抗拉強度高和延伸率大的鎂 基復(fù)合材料。
所述的鎂基復(fù)合材料的制備裝置可在現(xiàn)有技術(shù)的半固態(tài)鎂合金制備裝 置上直接增設(shè)一電磁攪拌器，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，無須重新設(shè)計裝置制備 鎂基復(fù)合材料。


圖1是本技術(shù)方案實施例鎂基復(fù)合材料的制備方法的流程示意圖。
圖2是本技術(shù)方案實施例鎂基復(fù)合材料的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明提供的鎂基復(fù)合材料的制備方 法及制備裝置作進一步的詳細說明。
如圖l所示，本發(fā)明提供了一種鎂基復(fù)合材料的制備方法，其具體包括以
下步驟
( 一 )提供大量的鎂顆粒與大量的碳納米管，將鎂顆粒和碳納米管混合， 得到鎂顆粒與碳納米管的混合體。
其中，鎂顆?？梢允羌冩V顆粒也可以是鎂合金顆粒。上述的鎂合金顆粒 的組成元素除鎂外，還含有鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、鈣等其他元素中 的一種或幾種。其中鎂占鎂合金顆?？傎|(zhì)量百分比80%以上，其他元素占鎂 合金顆粒總質(zhì)量百分比20%以下。本實施例優(yōu)選為純4美顆粒。鎂顆粒平均直 徑為20納米(nm)-100微米0im)。碳納米管為市場上銷售的普通碳納米管， 所采用的碳納米管的直徑為lnm-150nm,碳納米管的長度為l(im-l(Him。碳 納米管質(zhì)量與4美顆粒質(zhì)量之間的比例為1:50-1:200,本實施例優(yōu)選為1:100。 其中碳納米管的加入量不能過多，否則因碳納米管難以分散會使復(fù)合材料的 性能大幅下降。
(二)在保護氣體保護下，加熱上述鎂顆粒與碳納米管混合后得到的混 合體，形成一半固態(tài)漿料。
上述鎂顆粒與碳納米管的混合體是在密閉的裝置中進行加熱的。該裝置 在加熱設(shè)備的作用下保持加熱溫度在一預(yù)定溫度，該預(yù)定溫度需確保上述混 合體被加熱至半固態(tài)的漿料的同時，并維持上述混合體的半固態(tài)狀態(tài)。上述 的預(yù)定溫度是不固定的，根據(jù)上述混合體中碳納米管和鎂合金顆粒質(zhì)量之間 比例的不同以及鎂合金顆粒成分的不同而不同。本實施例優(yōu)選碳納米管質(zhì)量 與純^:顆粒質(zhì)量以1:100的比例混合，在預(yù)定溫度為700。C下加熱成一半固 態(tài)漿料。上述的密閉裝置具有一攪拌設(shè)備。該攪拌設(shè)備可在密閉裝置中旋轉(zhuǎn)， 對半固態(tài)漿料進行局部攪拌，實現(xiàn)碳納米管在半固態(tài)漿料中的初步分散。上
述混合體應(yīng)在保護氣體環(huán)境下進行加熱，以防止氧化，該保護氣體為惰性氣 體或氮氣，本實施例優(yōu)選保護氣體為氬氣。
(三) 對上述的半固態(tài)漿料施加電磁攪拌，以使碳納米管在半固態(tài)漿料 中均勻分散。
電磁攪拌是利用導(dǎo)電的半固態(tài)漿料與變化磁場間產(chǎn)生的感應(yīng)力驅(qū)動半 固態(tài)漿料進行旋轉(zhuǎn)運動。電磁攪拌可以通過一電磁攪拌器來進行，上述的電
》茲攪拌器的功率為0.2千瓦(KW) 15千瓦(KW),頻率為5赫茲(HZ) ~30赫 茲(HZ),攪拌速率為500轉(zhuǎn)/分(rmp) ~3000轉(zhuǎn)/分(rmp)。在電i茲攪拌器中通過 5HZ 30HZ的交流電，會產(chǎn)生一變化的磁場。半固態(tài)漿料在電磁攪拌器所產(chǎn) 生的變化》茲場的作用下會產(chǎn)生一感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)》茲場與變化 磁場之間的相互作用，推動半固態(tài)漿料以整體攪拌的方式運動。這種整體攪 拌的作用能夠有效避免碳納米管浮到半固態(tài)漿料表面的現(xiàn)象，使得碳納米管 在半固態(tài)漿料中不發(fā)生偏聚，保證碳納米管在半固態(tài)漿料中均勻分散的同時 具有很好的流動性。從而使得碳納米管和鎂合金材料基體的相容性、界面浸 潤性好。通過電源調(diào)節(jié)電磁攪拌器的功率和頻率，可以控制電磁攪拌的強度 和速度，從而實現(xiàn)碳納米管在鎂基復(fù)合材料中良好的分散性及浸潤性。
上述的電磁攪拌器利用了電磁感應(yīng)的原理可以對半固態(tài)漿料實現(xiàn)整體 攪拌的方式，使碳納米管在半固態(tài)漿料中均勻分散，從而實現(xiàn)碳納米管在半 固態(tài)漿料中良好的分散性及浸潤性。
可以理解，本發(fā)明上述的電磁攪拌器可以與工頻、低頻或者變頻電源相 連，電磁攪拌的方式可以采用正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者交替運行，利用半固態(tài)漿料運 動慣性產(chǎn)生很大的速度差和慣性沖擊，從而使攪拌效率大為提高。
(四) 將上述均勻分散有碳納米管的半固態(tài)漿料注射進一壓鑄模具中， 冷卻后，得到一鎂基復(fù)合材料。
上述均勻分散有碳納米管的半固態(tài)漿料在電磁攪拌器的攪拌后，可注射 進并同時充滿壓鑄模具。該壓鑄模具具有一預(yù)定的形狀，上述半固態(tài)漿料冷 卻后，即可得到一具有預(yù)定形狀的鎂基復(fù)合材料。由于鎂基復(fù)合材料通過將 半固態(tài)漿料注射充滿壓鑄模具而制成，所以具有高的鑄造精度。
如圖2所示，本發(fā)明提供一種鎂基復(fù)合材料8的制備裝置100,包括一 定量輸送裝置3、 一觸變成形機4、 一電磁攪拌器6和一注射成形機7。上述
定量輸送裝置3包括一進料口 31和一輸送帶32。上述進料口 31進一步包括 一第一進料口 311和第二進料口 312。大量的鎂顆粒1與大量的碳納米管2 分別通過第一進料口 311和第二進料口 312,進入到定量輸送裝置3中混合。 其中進料口 31與輸送帶32相連通，混合后的鎂顆粒1與碳納米管2通過輸 送帶32進行傳輸。上述觸變成形機4包括一加熱桶41和一噴嘴45，噴嘴 45設(shè)置在加熱桶41的第一端，上述定量輸送裝置3的輸送帶32與加熱桶 41第二端相連通。上述觸變成形機4進一步包括一加熱帶44、 一螺桿42及 一單向閥43。加熱帶44圍繞在加熱桶41的外圍，用于將鎂顆粒1與碳納米 管2的混合體加熱到預(yù)定溫度，得到一半固態(tài)漿料5。螺桿42設(shè)置在加熱桶 41內(nèi)軸心處，可在加熱桶41內(nèi)旋轉(zhuǎn)和前后移動，用于攪拌混合上述的半固 態(tài)漿料5，并推動半固態(tài)漿料5向前運動。單向閥43設(shè)置于上述螺桿42之 上，用于保持上述的半固態(tài)漿料5向一個方向流動。上述電磁攪拌器6包括 一感應(yīng)線圈61和一電源(圖中未表示)，該感應(yīng)線圈61設(shè)置于加熱桶41第一 端的加熱帶44的外圍，該電磁攪拌器可以連續(xù)提供不同功率和頻率范圍的 攪拌力，以滿足各種半固態(tài)漿料5制備的需要。上述注射成形機7包括一壓 鑄模具71，該壓鑄;f莫具71具有一預(yù)定形狀的空腔72,用于形成具有預(yù)定形 狀的鎂基復(fù)合材料8。在注射成形機7中，半固態(tài)材料5由噴嘴45注射到空 腔72中，并充滿壓鑄模具71。
使用上述的鎂基復(fù)合材料8的制備裝置100制備鎂基復(fù)合材料8的過程
中
大量的鎂顆粒1與大量的碳納米管2分別通過第一進料口 311和第二進 料口 312,進入到定量輸送裝置3中混合?；旌虾蟮逆V顆粒1與碳納米管2 的混合體通過輸送帶32進行傳輸，進入到觸變成形機4中的加熱桶41內(nèi)， 被圍繞在加熱桶41夕卜圍的加熱帶44加熱，形成一半固態(tài)漿料5。在加熱混 合體至預(yù)定溫度時，由螺桿42攪拌混合，并推動半固態(tài)漿料5向前運動到 電》茲攪拌器6所在的部位。上述混合體在加熱時，加熱桶41內(nèi)部空間充滿 保護氣體，以防止氧化，該保護氣體為惰性氣體或氮氣，本實施例中優(yōu)選為 氬氣。對上述的半固態(tài)漿料5施加電磁攪拌，以使碳納米管2在半固態(tài)漿料 5中均勻分散。上述均勻分散有碳納米管2的半固態(tài)漿料5在電磁攪拌器6 的攪拌推動下向噴嘴45的方向運動，由噴嘴45注射進上述具有預(yù)定形狀的
8
空腔72中'并充滿壓鑄模具71,得到一具有預(yù)定形狀的鎂基復(fù)合材料8。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些 依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種鎂基復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟:提供大量的鎂顆粒和大量的碳納米管；加熱上述鎂顆粒與碳納米管混合后得到的混合體，形成一半固態(tài)漿料；對上述的半固態(tài)漿料施加電磁攪拌；以及將上述施加電磁攪拌后的半固態(tài)漿料注射進一壓鑄模具中，冷卻后，得到一鎂基復(fù)合材料。
2. 如權(quán)利要求1上述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，鎂顆粒是純鎂 顆粒和4美合金顆粒中的 一種。
3. 如權(quán)利要求2上述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，上述的鎂合金 顆粒的組成元素除鎂外，還含有鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、4丐等其他元 素中的一種或幾種。
4. 如權(quán)利要求3上述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，其中鎂占鎂合 金顆粒總質(zhì)量百分比80%以上，其他元素占4美合金顆?？傎|(zhì)量百分比20% 以下。
5. 如權(quán)利要求1上述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，上述的鎂顆粒 的平均直徑為20納米-100微米，碳納米管的直徑為1納米-150納米，碳納 米管的長度為l微米-10微米。
6. 如權(quán)利要求1上述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，上述的碳納米 管質(zhì)量與^t美顆粒質(zhì)量之間的比例為1:50-1:200。
7. 如權(quán)利要求1上述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，上述鎂顆粒與 碳納米管的混合體在保護氣體環(huán)境下進行加熱，該保護氣體為惰性氣體或氮氣
8. 如權(quán)利要求1上述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，通過一電i茲攪 拌器對上述的半固態(tài)漿料施加電f茲攪拌。
9. 如權(quán)利要求8上述的鎂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)電i茲 攪拌器的功率和頻率控制攪拌的強度和速度。
10. —種鎂基復(fù)合材料的制備裝置，包括一定量輸送裝置，該定量輸送裝置包括一進料口和一輸送帶，其中進料口與 輸送帶相連通；一觸變成形機，該觸變成形機包括一加熱桶和一噴嘴，噴嘴設(shè)置在加熱桶 的第一端，上述定量輸送裝置的輸送帶與加熱桶第二端相連通，該觸變成 形機進一步包括一加熱帶、 一螺桿及一單向閥，加熱帶圍繞在加熱桶的外圍，螺桿設(shè)置在加熱桶內(nèi)軸心處，單向閥設(shè)置于上述螺桿之上；以及 一注射成形機，該注射成形機包括一壓鑄才莫具，其特征在于，上述制備裝置進一步還包括一電磁攪拌器，該電磁攪拌器包 括一感應(yīng)線圈，該感應(yīng)線圈設(shè)置于上述加熱桶第 一端的加熱帶的外圍。 11.如權(quán)利要求IO所述的鎂基復(fù)合材料的制備裝置，其特征在于，上述電磁攪拌器與電源相連，該電》茲攪拌器的功率為0.2千瓦 15千瓦，頻率為5赫茲~30赫茲，攪拌速率為500轉(zhuǎn)/分~3000轉(zhuǎn)/分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟提供大量的鎂顆粒和大量的碳納米管；在保護氣體保護下，加熱上述鎂顆粒與碳納米管混合后得到的混合體，形成一半固態(tài)漿料；對上述的半固態(tài)漿料施加電磁攪拌，以使碳納米管在半固態(tài)漿料中均勻分散；將上述均勻分散有碳納米管的半固態(tài)漿料注射進一壓鑄模具中，冷卻后，得到一鎂基復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及一種鎂基復(fù)合材料的制備裝置，包括一定量輸送裝置、一觸變成形機、一電磁攪拌器和一注射成形機。本發(fā)明所提供的鎂基復(fù)合材料的制備方法，可使鎂顆粒和碳納米管混合均勻，從而獲得抗拉強度高和韌性好的鎂基復(fù)合材料，可廣泛地應(yīng)用于3C產(chǎn)品、汽車零部件、航天航空零部件等方面。
文檔編號C22C23/00GK101376932SQ20071007677
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者張麗清, 李文珍, 陳正士, 陳錦修 申請人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司