粉末冶金法制備的碳納米管增強鎂基復合材料的微觀組織及力學性能研究

辛曉光

（中化化工科學技術研究總院有限公司，北京 100083）

1 鎂基復合材料的研究現狀及發展趨勢

隨著現代工業對高性能材料需求的不斷增強，鎂基復合材料作為一種新型輕質高強材料，具有良好的機械性能、熱穩定性和抗腐蝕性能等特點，在航空、汽車等領域得到廣泛應用。然而，鎂基復合材料缺乏韌性和低強度等問題限制了其在實際應用中的推廣和發展[1]。

針對這些問題，研究人員開始探索引入納米級別的增強劑來改善鎂合金的性能。碳納米管作為一種新型的納米材料，具有優異的力學性能和化學穩定性，因此被廣泛應用在材料科學領域。

碳納米管的應用可以提高鎂基復合材料的力學性能，如抗拉強度、屈服強度等，并且可以改善其微觀組織結構。此外，碳納米管還可以提高復合材料的熱穩定性和耐腐蝕性能，這與碳納米管本身的化學穩定性和防腐蝕性能有關。

然而，使用碳納米管增強材料也存在一些問題。例如，碳納米管的加入會降低復合材料的韌性，需要在復合材料增強程度和韌性之間進行平衡。此外，制備過程中的工藝控制和粒徑大小的控制也是影響復合材料性能的重要因素[2]。

當前，研究人員正在進一步探索碳納米管與其他材料的復合增強效果，尋找更加適合工業應用的制備方法，并在改善材料的塑性變形能力等方面展開深入研究。這些研究將為鎂基復合材料的開發和應用提供更好的理論依據和實驗基礎，同時也有助于推動輕質高強材料的發展與應用。

2 碳納米管增強材料在復合材料領域中的應用

碳納米管具有良好的機械性能、導電性能和導熱性能等優點，已經被廣泛應用于復合材料中。其中，碳納米管增強材料可以通過增加材料表面積，提高與基體的結合力，從而有效地提高材料的力學性能。因此，將碳納米管引入鎂基復合材料中，有望進一步提高該類材料的機械性能，并能夠改善其微觀組織結構。

3 研究方法和實驗設計

3.1 實驗方案的設計

本研究采用粉末冶金法制備碳納米管增強鎂基復合材料。具體步驟包括：

1）制備混合粉末：選擇100 g 的鎂粉、0.5 g 的碳納米管和0.1 g 的添加劑（MgO 和Al2O3），將其混合均勻。

2）熱處理過程：將混合粉末置于高溫爐中，在500 ℃下進行熱處理，持續時間為1 h，冷卻后取出，制成鎂基復合材料。

3）各組樣品設計：制備4 組樣品，分別包括無添加碳納米管的純鎂粉樣品、添加質量分數分別為0.5%、1.0%、1.5%的碳納米管的鎂基復合材料樣品。

4）微觀組織表征：對制備好的樣品進行掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）等手段的微觀組織表征。

5）力學性能測試：采用拉伸試驗和壓縮試驗等方法，對制備好的樣品的力學性能進行測試。

3.2 實驗所需設備和試劑

本實驗所需設備包括高溫爐、掃描電子顯微鏡、機械性能測試儀等。所需試劑包括鎂粉、碳納米管、添加劑等。

3.3 實驗參數和測試方法

本研究中，通過調整鎂粉、碳納米管和其他添加劑的比例，控制熱處理溫度和時間等參數，制備出不同含量碳納米管的鎂基復合材料樣品。對制備好的樣品進行掃描電子顯微鏡、X 射線衍射等手段的微觀組織表征，并采用拉伸試驗和壓縮試驗等力學性能測試方法，對樣品的力學性能進行分析和評估。

4 實驗結果與分析

4.1 微觀組織表征和分析

在本研究中，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）等手段對不同含量碳納米管樣品進行了微觀組織表征和結晶質量分析，結果如表1 所示。

表1 SEM 觀察結果和XRD 分析結果

1）對制備好的樣品進行了SEM觀察。從表1 結果顯示，加入適當含量的碳納米管后，材料的晶粒大小和形貌都發生了一定的變化。在無添加碳納米管的純鎂粉樣品中，晶粒呈現出較大且不均勻的分布狀態。而在添加質量分數為0.5%的碳納米管的樣品中，晶粒尺寸有所減小，并且更為均勻地分布在整個樣品中。隨著碳納米管含量的增加，晶粒尺寸進一步減小，并呈現出更為均勻的分布狀態。

2）對不同樣品的晶體結構進行了XRD 分析。結果顯示，在添加適當含量的碳納米管后，材料的晶體結構得到了改善，晶格略有收縮，表明碳納米管的引入改善了材料的結晶質量。尤其在添加質量分數為0.5%的碳納米管的樣品中，明顯觀察到了晶格略有收縮的現象。這也進一步證實了SEM觀察結果，即在添加適當含量的碳納米管的作用下，材料的晶粒尺寸減小，并呈現出更為均勻的分布狀態。

通過對不同含量碳納米管樣品的微觀組織表征和結晶質量分析，發現適當添加碳納米管可以改善鎂基復合材料的晶體結構和結晶質量，并且促進材料晶粒尺寸的均勻分布。這不僅有助于提高材料的力學性能和穩定性，同時也為后續研究提供了理論依據和實驗基礎。

4.2 力學性能測試結果及數據分析

在本研究中，對制備好的樣品進行了拉伸試驗和壓縮試驗等方法的力學性能測試，以探究碳納米管對鎂基復合材料力學性能的影響，結果如表2 所示。

表2 不同含量碳納米管樣品的拉伸試驗數據

由表2 試驗結果表明，在適當控制碳納米管含量的情況下，加入碳納米管可以有效提高鎂基復合材料的機械性能。具體來說，隨著碳納米管含量的增加，樣品的抗拉強度和屈服強度均有所提高。其中，添加質量分數為1.0%的碳納米管的樣品的抗拉強度最高，達到了155 MPa，比無添加碳納米管的樣品提高了約46%。同時，在應變到達一定程度后，加入碳納米管的樣品的斷裂形態更具韌性，顯示出較好的拉伸延展性能。

然而，同時也發現隨著碳納米管含量的增加，材料的塑性變形能力也有所下降。這一點在壓縮試驗中得到更加明顯的體現。雖然在低應變區間內，加入碳納米管后，樣品的壓縮強度也有所提高，但隨著應變的增加，材料的塑性變形能力下降，表明碳納米管增加了材料的脆性。

研究表明，在適當的碳納米管含量下，加入碳納米管可以有效提高鎂基復合材料的機械性能。然而，這也需要在增強程度和材料韌性之間進行平衡，并且需要進一步優化制備工藝和控制粒徑大小等因素，以充分發揮碳納米管的增強作用。

5 結論

本研究采用粉末冶金法制備出了碳納米管增強鎂基復合材料，并對其微觀組織和力學性能進行了表征和測試。結果表明，適當控制碳納米管含量可以有效地提高材料的機械性能，并且可以改善其微觀組織結構。在拉伸試驗中，加入質量分數為1.0%的碳納米管的樣品的抗拉強度最高，達到了155 MPa，比無添加碳納米管的樣品提高了約46%。同時，在應變到達一定程度后，加入碳納米管的樣品的斷裂形態更具韌性，顯示出較好的拉伸延展性能。然而，在壓縮試驗中，也發現隨著碳納米管含量的增加，材料的塑性變形能力下降，表明碳納米管增加了材料的脆性。

同時，也通過SEM和XRD 等手段對不同含量碳納米管樣品的微觀組織和結晶質量進行了分析。結果顯示，在添加適當含量碳納米管后，材料的晶體結構得到了改善，晶格略有收縮，并且促進材料晶粒尺寸的均勻分布。這不僅有助于提高材料的力學性能和穩定性，同時也為后續研究提供了理論依據和實驗基礎。

在未來的工業應用中，可以考慮引入碳納米管作為鎂基復合材料的增強劑，以提高材料的性能和使用壽命。同時，本研究也為鎂基復合材料的開發和應用提供了一定的理論依據和實驗基礎。未來可以在進一步探索碳納米管與其他材料的復合增強效果、尋找更加適合工業應用的制備方法以及改善材料的塑性變形能力等方面展開深入研究。