專利名稱：硼摻雜的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硼摻雜的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，屬于鎂基復(fù)合材料的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
鎂基復(fù)合材料屬于輕金屬復(fù)合材料的一種，其主要特點是密度低、比強(qiáng)度、比剛度高，同時還具有良好的耐沖擊性、耐高溫性、耐磨性、優(yōu)良的減震性能及良好尺寸穩(wěn)定性等。 此外，還具有儲氫特性和電磁屏蔽等，是一類優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)與功能材料，也是當(dāng)今高新技術(shù)領(lǐng)域中最有希望應(yīng)用的復(fù)合材料之一，在航空航天、軍工產(chǎn)品制造、電子封裝以及汽車等領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用前景。因此，鎂基復(fù)合材料成為輕金屬基復(fù)合材料的研究熱點之一。碳納米管強(qiáng)度極高，平均楊氏模量可達(dá)到1 1. 8TPa，大概是鋼的100倍，是碳纖維的20倍，彎曲強(qiáng)度可達(dá)14. 2GPa，所存應(yīng)變能達(dá)IOOkeV,層間剪切強(qiáng)度達(dá)500MPa。碳納米管作為一維中空分子材料，密度只有鋼的1/6，重量為碳纖維的1/2。碳納米管憑借其極高的比強(qiáng)度和比剛度，極低的密度和軸向熱膨脹系數(shù)和獨特的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，成為了復(fù)合材料最理想的增強(qiáng)相。以碳納米管作為增強(qiáng)相制備鎂基復(fù)合材料時，由于完整結(jié)構(gòu)的CNTs比較穩(wěn)定，尤其是與無d電子的輕金屬界面結(jié)合中出現(xiàn)惰性，造成弱得界面結(jié)合強(qiáng)度，而弱的界面結(jié)合強(qiáng)度會嚴(yán)重破壞復(fù)合材料的性能，因此，提高碳納米管與鎂基的界面結(jié)合強(qiáng)度是制備性能優(yōu)異的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的關(guān)鍵。目前，在金屬材料領(lǐng)域?qū)μ技{米管常用的改性方式是鍍層、包覆、缺陷和摻雜等。這些工藝解決了諸如CNTs/高聚物復(fù)合材料的載荷傳遞、碳納米管的團(tuán)聚和結(jié)合性，是一種有效的方法。其中，硼摻雜碳納米管一般采用原位生長、高溫氣相法等方法制備，然而目前硼摻雜碳納米管的研究集中于其物理性能和電學(xué)性能，對其增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能尚未報導(dǎo)。綜上，如何采用簡單穩(wěn)定的制備工藝，提高碳納米管與鎂基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，是目前研發(fā)制備碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料面臨的主要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種硼摻雜的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法。該方法制備工藝簡單易行，所制得的復(fù)合材料的強(qiáng)度高。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種硼摻雜的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其實施方案包括以下過程1)以化03作為硼源，按硼原子與碳原子的原子比例為10 1。將化03放入方舟底部，在上面覆蓋碳納米管，再將方舟置于管式爐中，以10°c /min的升溫速率升溫至 1100-1300°C，在氬氣的氣氛下保溫3-5小時；2)采用三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿表面兩性離子活性劑對硼摻雜碳納米管進(jìn)行分散。分散劑與硼摻雜碳納米管的質(zhì)量比為1 10，將分散劑在溫度60°C下溶于200-300ml異丙醇中，將硼摻雜碳納米管加入到所得溶液中超聲攪拌30分鐘，按硼摻雜碳納米管與鎂的質(zhì)量比為(0.1-1.5) (99. 9-98. 5)，再將過200目的鎂粉加入到所得溶液中，攪拌混合20-40分鐘，然后抽濾，在溫度50-80°C下烘干并研磨均勻，得到硼摻雜碳納米管同鎂的復(fù)合粉末；3)將步驟2、所得的復(fù)合粉末在壓力500_700MPa下進(jìn)行壓制2_3分鐘，得到了直徑為20mm的復(fù)合材料的塊體，以10°C /min的升溫速率升溫至500-600°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)1-3小時，然后將得到的塊體在壓力600-750MPa下進(jìn)行復(fù)壓2_3分鐘，以 IO0C /min的升溫速率升溫至550-650°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行再燒結(jié)1_3小時；冷卻室溫得到硼摻雜碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。本發(fā)明具有以下優(yōu)點在硼原子摻雜比例較低的情況下，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了較大幅度的改善，當(dāng)硼原子摻雜比例達(dá)到3. 1%，且硼摻雜碳納米管含量為1.5wt. % 時，所制得的鎂基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度提高了 15%。本發(fā)明制備過程易操作。所制得的高強(qiáng)度鎂基復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天以及汽車等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明實施例一、二、三制得的硼摻雜碳納米管的XPS圖譜。圖2為本發(fā)明實施例一制得的硼摻雜碳納米管含量為0. Iwt. %的鎂基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(b)和對比實施例一制得的碳納米管含量為0. Iwt. %的鎂基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(a)。圖3為本發(fā)明實施例二制得的硼摻雜碳納米管含量為0. 5wt. %的鎂基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(b)和對比實施例二制得的碳納米管含量為0. 5wt. %的鎂基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(a)。圖4為本發(fā)明實施例三制得的硼摻雜碳納米管含量為1. 5wt. %的鎂基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(b)和對比實施例三制得的碳納米管含量為1.5wt. %的鎂基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(a)。
具體實施例方式實施例一將3.5gB203放入方舟底部，在上面覆蓋0. 12g碳納米管，將方舟置于管式爐中，以 IO0C /min的升溫速率升溫至溫度1150°C，在氬氣的氣氛下保溫4小時；將0. OOlg三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿在溫度60°C下溶于200ml異丙醇中，然后將0. Olg硼摻雜碳納米管加入到所得溶液中超聲30分鐘，再將9. 99g過200目的鎂粉加入到所得溶液中，超聲攪拌30分鐘，將所得的混合溶液進(jìn)行抽濾并在溫度60°C進(jìn)行烘干，并研磨均勻；將制得的復(fù)合粉末在壓力550MPa下進(jìn)行壓制3分鐘，得到了直徑為20mm的復(fù)合材料的塊體；以10°C / min的升溫速率升溫至溫度550°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)1小時，然后將得到的塊體在壓力700MPa下進(jìn)行復(fù)壓3分鐘，以10°C /min的升溫速率升溫至溫度600°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行再燒結(jié)2小時；將制得鎂基復(fù)合材料的塊體在溫度350°C、擠壓比為16 1 的條件下進(jìn)行熱擠壓，得到直徑為5mm的鎂基復(fù)合材料棒材。實施例二
將3. 5gB203放入方舟底部，在上面覆蓋0. 12g碳納米管，將方舟置于管式爐中，以 IO0C /min的升溫速率升溫至溫度1150°C，在氬氣的氣氛下保溫4小時；將0. 005g三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿在溫度60°C下溶于200ml異丙醇中，然后將0. 05g硼摻雜碳納米管加入到所得溶液中超聲30分鐘，再將9. 95g過200目的鎂粉加入到所得溶液中，超聲攪拌30分鐘，將所得的混合溶液進(jìn)行抽濾并在溫度60°C進(jìn)行烘干，并研磨均勻；將制得的復(fù)合粉末在壓力550MPa下進(jìn)行壓制3分鐘，得到了直徑為20mm的鎂基復(fù)合材料的塊體；以 IO0C /min的升溫速率升溫至溫度550°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)1小時，然后將得到的塊體在壓力700MPa下進(jìn)行復(fù)壓3分鐘，以10°C /min的升溫速率升溫至溫度600°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行再燒結(jié)2小時；將制得鎂基復(fù)合材料的塊體在溫度350°C、擠壓比為 16 1的條件下進(jìn)行熱擠壓，得到直徑為5mm的鎂基復(fù)合材料棒材。實施例三將3. 5gB203放入方舟底部，在上面覆蓋0. 12g碳納米管，將方舟置于管式爐中，以 IO0C /min的升溫速率升溫至溫度1150°C，在氬氣的氣氛下保溫4小時；將0.015g三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿在溫度60°C下溶于200ml異丙醇中，然后將0. 15g硼摻雜碳納米管加入到所得溶液中超聲30分鐘，再將9. 85g過200目的鎂粉加入到所得溶液中，超聲攪拌30分鐘，將所得的混合溶液進(jìn)行抽濾并在溫度60°C進(jìn)行烘干，并研磨均勻；將制得的復(fù)合粉末在壓力550MPa下進(jìn)行壓制3分鐘，得到了直徑為20mm的鎂基復(fù)合材料的塊體；以 IO0C /min的升溫速率升溫至溫度550°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)1小時，然后將得到的塊體在壓力700MPa下進(jìn)行復(fù)壓3分鐘，以10°C /min的升溫速率升溫至溫度600°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行再燒結(jié)2小時；將制得鎂基復(fù)合材料的塊體在溫度350°C、擠壓比為 16 1的條件下進(jìn)行熱擠壓，得到直徑為5mm的鎂基復(fù)合材料棒材。對比實施例一將0. OOlg三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿在溫度60°C下溶于200ml異丙醇中， 然后將0. Olg碳納米管加入到所得溶液中超聲30分鐘，再將9. 99g過200目的鎂粉加入到所得溶液中，超聲攪拌30分鐘，將所得的混合溶液進(jìn)行抽濾并在溫度60°C進(jìn)行烘干，并研磨均勻；將制得的復(fù)合粉末在壓力550MI^下進(jìn)行壓制3分鐘，得到了直徑為20mm的鎂基復(fù)合材料的塊體；以10°C /min的升溫速率升溫至溫度550°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié) 1小時，然后將得到的塊體在壓力700MPa下進(jìn)行復(fù)壓3分鐘，以10°C /min的升溫速率升溫至溫度600°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行再燒結(jié)2小時；將制得鎂基復(fù)合材料的塊體在溫度 350°C、擠壓比為16 1的條件下進(jìn)行熱擠壓，得到直徑為5mm的鎂基復(fù)合材料棒材。對比實施例二將0. 005g三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿在溫度60°C下溶于200ml異丙醇中， 然后將0. 05g碳納米管加入到所得溶液中超聲30分鐘，再將9. 95g過200目的鎂粉加入到所得溶液中，超聲攪拌30分鐘，將所得的混合溶液進(jìn)行抽濾并在溫度60°C進(jìn)行烘干，并研磨均勻；將制得的復(fù)合粉末在壓力550MI^下進(jìn)行壓制3分鐘，得到了直徑為20mm的鎂基復(fù)合材料的塊體；以10°C /min的升溫速率升溫至溫度550°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié) 1小時，然后將得到的塊體在壓力700MPa下進(jìn)行復(fù)壓3分鐘，以10°C /min的升溫速率升溫至溫度600°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行再燒結(jié)2小時；將制得鎂基復(fù)合材料的塊體在溫度 350°C、擠壓比為16 1的條件下進(jìn)行熱擠壓，得到直徑為5mm的鎂基復(fù)合材料棒材。
對比實施例三將0. 015g三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿在溫度60°C下溶于200ml異丙醇中， 然后將0. 15g碳納米管加入到所得溶液中超聲30分鐘，再將9. 85g過200目的鎂粉加入到所得溶液中，超聲攪拌30分鐘，將所得的混合溶液進(jìn)行抽濾并在溫度60°C進(jìn)行烘干，并研磨均勻；將制得的復(fù)合粉末在壓力550MI^下進(jìn)行壓制3分鐘，得到了直徑為20mm的鎂基復(fù)合材料的塊體；以10°C /min的升溫速率升溫至溫度550°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié) 1小時，然后將得到的塊體在壓力700MPa下進(jìn)行復(fù)壓3分鐘，以10°C /min的升溫速率升溫至溫度600°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行再燒結(jié)2小時；將制得鎂基復(fù)合材料的塊體在溫度 350°C、擠壓比為16 1的條件下進(jìn)行熱擠壓，得到直徑為5mm的鎂基復(fù)合材料棒材。
權(quán)利要求
1. 一種硼摻雜的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，其實施方案包括以下過程1)以化03作為硼源，按硼原子與碳原子的原子比例為10 1，將化03放入方舟底部，在上面覆蓋碳納米管，再將方舟置于管式爐中，以10°c /min的升溫速率升溫至1100-1300°c， 在氬氣的氣氛下保溫3-5小時；2)采用三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿表面兩性離子活性劑對硼摻雜碳納米管進(jìn)行分散，分散劑與硼摻雜碳納米管的質(zhì)量比為1 10，將分散劑在溫度60°C下溶于200-300ml 異丙醇中，將硼摻雜碳納米管加入到所得溶液中超聲攪拌30分鐘，按硼摻雜碳納米管與鎂的質(zhì)量比為(0.1-1.5) (99. 9-98. 5)，再將過200目的鎂粉加入到所得溶液中，攪拌混合 20-40分鐘，然后抽濾，在溫度50-80°C下烘干并研磨均勻，得到硼摻雜碳納米管同鎂的復(fù)合粉末；3)將步驟2)所得的復(fù)合粉末在壓力500-700MPa下進(jìn)行壓制2_3分鐘，得到了直徑為 20mm的復(fù)合材料的塊體，以10°C /min的升溫速率升溫至500-600°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)1-3小時，然后將得到的塊體在壓力600-750MPa下進(jìn)行復(fù)壓2_3分鐘，以10°C / min的升溫速率升溫至550-650°C，在氬氣的保護(hù)氣氛下進(jìn)行再燒結(jié)1_3小時；冷卻室溫得到硼摻雜碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硼摻雜的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法，屬于鎂基復(fù)合材料的制備技術(shù)。該方法過程包括采用B2O3作為硼源，對碳納米管進(jìn)行硼摻雜；采用三-磺丙基十四烷基二甲甜菜堿表面兩性離子活性劑對硼摻雜碳納米管進(jìn)行分散；將分散的硼摻雜碳納米管與鎂粉進(jìn)行混合并壓制成型和初次燒結(jié)，然后對鎂基復(fù)合材料進(jìn)行復(fù)壓和再燒結(jié)，最后得到硼摻雜碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。本發(fā)明優(yōu)點，硼摻雜碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高，且鎂基復(fù)合材料的制備過程易操作。所制得的高強(qiáng)度鎂基復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天以及汽車等領(lǐng)域。
文檔編號C22C23/00GK102268580SQ20111022013
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者何春年, 劉恩佐, 師春生, 李家俊, 李靜, 趙乃勤 申請人:天津大學(xué)