專利名稱：鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復合材料的制造設(shè)備及其制造方法，尤其涉及一種鎂基 -碳納米管復合材料的制造設(shè)備及其制造方法。
背景技術(shù)：
鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，鎂的比重是1.74克每立方 厘米(g/cm3),只有鋁的2/3、鈦的2/5、鋼的1/4,具有比強度、比剛度、吸 震降噪性能好、鑄造性能好、儲量豐富、易于回收利用等優(yōu)點，被譽為"21 世紀的綠色工程材料"。因此，鎂合金在這方面可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢。由于 其特殊的性能，所以廣泛用于航空航天領(lǐng)域、汽車行業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)當中。但 是，鑄造鎂合金的絕對強度低、組織較軟、高溫性能較差等弱點，使得鎂合 金僅能用來制造殼類等不能承受較大載荷的零件。而鎂基復合材料具有更高 的比強度、比剛度，同時還可能具有較好的耐磨性、耐高溫性能。所以，相 比鎂合金，鎂基復合材料具有更大的潛在的應用前景。
目前，主要是采用向鎂基復合材料中加入納米級顆粒增強體的方式提高 鎂基復合材料的強度和韌性。具有納米級晶體的碳纖維或碳納米管等碳納米 材料，其形狀為類似于圓柱形彎曲片材的物質(zhì)，其中碳原子以六邊形網(wǎng)格形 式排列，具有1.0-150納米(nm)直徑和最長至100微米((im)長度。這些物質(zhì) 的抗拉強度為鋼的100倍，其密度為1.35g/cm3，膨脹率低、導熱、導電性 及可滑動性能好，是理想的納米晶須增強增韌材料。
向鎂基復合材料中加入上述的納米級顆粒的一種典型工藝是半固態(tài)成形 工藝。半固態(tài)成形工藝主要包括壓鑄和觸變注射成形。由于鎂基復合材料錠 料在二次加熱時易氧化燃燒，因此當前主要采用觸變注射成形工藝制備鎂基 復合材料。采用觸變成形注射工藝制備鎂基復合材料的具體過程如下將基 體切削加工成細顆粒狀，同時加入增強顆粒，將混合物顆粒裝入料斗中，通 入氬氣進行保護，當復合材料顆粒運動到加熱部位時，將呈部分融熔狀態(tài)的 形成了具有觸變結(jié)構(gòu)的半固態(tài)料，在螺旋體作用下，當其累計到一定的體積
時，再被高速注射到已經(jīng)被抽空的預熱模具中成形。在整個觸變注射成形的 過程中，鎂基復合材料可以像熱塑性塑料一樣流動成形，清潔，安全，原材 料消耗大大減少和沒有熔渣產(chǎn)生，更不需熔煉液態(tài)金屬和澆注等過程，成形 件可達到很高的精度，縮松少，致密度高。
將碳納米管作為鎂基復合材料的增強體可表現(xiàn)出良好的強度和韌性，所 以鎂基-碳納米管復合材料有可能具有極好的綜合機械性能。但是，釆用上述 的半固態(tài)成形工藝制備的鎂基-碳納米管復合材料中存在著碳納米管分散不
均勻的問題(i青參見,Development of novel carbon nanotube reinforced magnesium nanocomposites using the powder metallurgy technique, C S Goh et al.,Nanotechnology, vol 17,p7(2006))。由于碳納米管在鎂基-碳納米管復合材 料中分散不均勻，從而導致了鎂基-碳納米管復合材料在強度和韌性方面沒有 達到預期的要求。
因此，確有必要提供一種鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備及其制造 方法，使用該制造設(shè)備制備的鎂基-碳納米管復合材料中的碳納米管分散均 勻，且該鎂基-碳納米管復合材料具有強度高及韌性好的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
一種鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備，該制造設(shè)備包括一觸變成形 機、 一壓鑄模具及一進料裝置，所述的觸變成形機包括一加熱桶、 一供料口 及一噴嘴，供料口設(shè)置在加熱桶的第一端，噴嘴設(shè)置在加熱桶與第一端相對 的第二端，所述的壓鑄模具設(shè)置于上述的噴嘴處，所述的觸變成形機進一步 包括一加熱帶、 一螺桿，該加熱帶環(huán)繞在加熱桶的外圍，該螺桿設(shè)置在加熱 桶的軸心處，進料裝置包括一料斗，該料斗設(shè)置在供料口上，其中，上述的 進料裝置還進一步包括一吸氣裝置、 一第一料桶、 一第二料桶及輸料管，上 述吸氣裝置設(shè)置在料斗上，料斗與第一料桶和第二料桶之間用輸料管連接。
一種使用上述的制造設(shè)備制備鎂基-碳納米管復合材料的方法，該方法 包括以下步驟提供大量的鎂顆粒和大量的碳納米管；用一吸氣裝置將上述 鎂顆粒和碳納米管吸入觸變成形機中，形成一鎂顆粒和碳納米管混合體；加 熱上述混合體，形成一觸變態(tài)的漿料；將上述漿料噴入一壓鑄模具中，冷卻 后，形成鎂基-碳納米管復合材料。
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與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備及其制 造方法，利用制造設(shè)備的吸氣裝置吸氣時產(chǎn)生的負壓，將鎂顆粒和碳納米管 通過輸料管吸入料斗中，由于鎂顆粒和碳納米管在輸料管中不斷碰撞，從而 在料斗中形成鎂顆粒和碳納米管混合均勻的混合體。另外，通過調(diào)節(jié)開關(guān)閥 的大小控制進入料斗中的鎂顆粒和碳納米管的吸入量，防止在料斗中積存大 量的鎂顆粒和碳納米管的混合體造成上述的混合體成分偏析，從而使得鎂顆 粒和碳納米管的混合體在進入加熱桶時混合均勻。此外，通過螺桿在觸變態(tài) 漿料中的螺旋攪拌，使鎂顆粒和碳納米管在觸變態(tài)漿料中分布進一 步均勻 化。因此，利用本發(fā)明所提供的制造設(shè)備所制備的鎂基-碳納米管復合材料， 由于其中的碳納米管分散均勻，從而具有強度高和韌性好的優(yōu)點，可廣泛地
應用于3C產(chǎn)品、汽車零部件、航天航空零部件等方面。


圖1是本技術(shù)方案鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本技術(shù)方案鎂基-碳納米管復合材料的制備方法的流程示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖及具體實施例，對本技術(shù)方案所述的鎂基-碳納米管復合 材料的制造設(shè)備及其制造方法作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，本技術(shù)方案提供了一種鎂基-碳納米管復合材料9的制造設(shè) 備10,該制造設(shè)備10包括一觸變成形機5、 一壓鑄模具6及一進料裝置7 。 所述觸變成形機5包括一加熱桶51、 一供料口 52及一噴嘴53,供料口 52 設(shè)置在加熱桶51的第一端，噴嘴53設(shè)置在加熱桶51與第一端相對的第二 端，所述壓鑄模具6設(shè)置于噴嘴53處。所述觸變成形機5進一步包括一加 熱帶54、 一螺桿56。該加熱帶54環(huán)繞在加熱桶51的外圍，在加熱帶54的 外圍設(shè)置一保溫層55,該保溫層55可以起到保持加熱桶內(nèi)部溫度恒定的作 用。螺桿56設(shè)置在加熱桶51的軸心處，且可以在加熱桶51中旋轉(zhuǎn)。進料 裝置7包括一料斗71、 一吸氣裝置72、第一料桶73、第二料桶74及輸料管 75。料斗71設(shè)置在供料口 52上，吸氣裝置72設(shè)置在料斗71上，輸料管75 連接料斗71與第一料桶73和第二料桶74。在第一料桶73中放置大量的鎂
顆粒3,在第二料桶74中放置大量的碳納米管4。吸氣裝置72吸氣時可以 產(chǎn)生負壓，該負壓可以將第一料桶73中的鎂顆粒3和第二料桶74中的碳納 米管4通過輸料管75吸入料斗71中。
本實施例中，吸氣裝置72為一吸氣泵，連接料斗71與第一料桶73和 第二料桶74的輸料管75為一 Y型輸料管，在連接第一料桶73的Y型輸料 管75第一個分支753上設(shè)置有第一開關(guān)閥751，可以調(diào)節(jié)第一開關(guān)閥751 的大小來控制第一料桶73中的鎂顆粒3吸入料斗71中的吸入量。在一連接 第二料桶74的Y型輸料管75第二分支754上設(shè)置有第二開關(guān)閥752，可以 調(diào)節(jié)第二開關(guān)閥752的大小來控制第二料桶74中的碳納米管3吸入料斗71 中的吸入量。
請參閱圖2,使用上述的鎂基-碳納米管復合材料9的制造設(shè)備10制造 鎂基-碳納米管復合材料9的方法，其具體包括以下步驟
(一) 提供大量的鎂顆粒3和大量的碳納米管4分別置于第一料桶73 和第二料桶74中。
其中，鎂顆粒3為純鎂顆?；蜴V合金顆粒，碳納米管4為市場上銷售的 普通碳納米管。本實施例中鎂顆粒3為純鎂顆粒，平均直徑為20納米(nm)-100 微米(pm)。所采用的碳納米管4的直徑為1.0nm-150nm，長度在l(im-l(Him。 此外，所述鎂合金顆粒的組成為鎂和鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、釣等元 素的一種或多種，其中鎂元素的質(zhì)量百分比大于80%，其他元素的總質(zhì)量百 分比小于20%。
(二) 用一吸氣裝置72將上述的鎂顆粒3和碳納米管4吸入觸變成形 機5中，形成一鎂顆粒3和碳納米管4的混合體91 。
其中，用一吸氣裝置72將上述的鎂顆粒3和碳納米管4吸入觸變成形 機5的料斗71中進行混合，形成一鎂顆粒3和碳納米管4的混合體。將鎂 顆粒3和碳納米管4在觸變成形機5的料斗71中進行混合的具體過程為 打開第一開關(guān)閥751和第二開關(guān)閥752，同時使吸氣泵72開始吸氣；由吸氣 泵72吸氣時產(chǎn)生的負壓，將盛料桶1中的鎂顆粒3和盛料桶2中的碳納米 管4通過Y型輸料管75吸入料斗71中，在將鎂顆粒3和碳納米管4吸入Y 型輸料管75的過程中，鎂顆粒3和碳納米管4將會在Y型輸料管75中相互 碰撞，從而使得吸入到料斗71中的鎂顆粒3和碳納米管4形成均勻的混合體91。
其中，采用吸氣泵72進行吸氣時，在料斗71產(chǎn)生的負壓的大小可以根 據(jù)需要進行選擇。此外，在將鎂顆粒3和碳納米管4進行混合時，可以根據(jù) 需要選擇第一開關(guān)閥751和第二開關(guān)闊752的大小。
可以理解，在上述的輸料管75和吸氣泵72與料斗71的連接處，具有 很好的密封性。吸氣泵72吸氣時產(chǎn)生的負壓會將鎂顆粒3和碳納米管4吸 入料斗57中，在上述的將鎂顆粒3和碳納米管4吸入的過程中，可以通過 調(diào)節(jié)第一開關(guān)閥751和第二開關(guān)閥752的大小，進而控制料斗71中的鎂顆 粒3和碳納米管4的吸入量，從而確保在料斗71中不積存大量的鎂顆粒3 和碳納米管4的混合體91，以防止由于鎂顆粒3和碳納米管4的密度相差較 大，而造成混合體91的成分偏析。
(三) 加熱鎂顆粒3和碳納米管4的混合體91，形成一觸變態(tài)的漿料92。
其中，將鎂顆粒3和碳納米管4的混合體91由料斗71進入加熱桶52 時，被環(huán)繞在加熱桶52外圍的加熱帶54加熱至預定溫度。該預定溫度只需 確保上述混合體91 ,皮加熱至觸變態(tài)的漿料92即可。在加熱混合體91時， 由于螺桿56在加熱桶52內(nèi)不停地旋轉(zhuǎn)攪拌，從而使得碳納米管4均勻分布 于觸變態(tài)漿料92中。優(yōu)選地，加熱桶51內(nèi)充滿惰性氣體，以防止氧化。
在加熱帶54上設(shè)置的一保溫層55,可以保證加熱過程中在加熱桶51 中形成的觸變態(tài)漿料92不至于降溫過快。
(四) 將漿料92噴入一壓鑄模具6中，冷卻后，形成鎂基-碳納米管復 合材料9。
將漿料92噴入一壓鑄模具6中，由于螺桿56的旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生的壓射 作用，將加熱桶51內(nèi)的漿料92送往噴嘴53,進而噴入壓鑄模具6并充滿壓 鑄模具6;冷卻后，形成一鎂基-碳納米管復合材料9。
可以理解，本技術(shù)方案所述的將漿料92噴入壓鑄模具6的方式，并不 僅限于本實施例中所述的通過一螺桿56的旋轉(zhuǎn)將觸變態(tài)漿料92噴入壓鑄模 具6中的方式；也可為采用類似用在鑄造樹脂的螺旋形預塑化噴射設(shè)備的噴 射裝置將觸變態(tài)漿料92噴入壓鑄模具6中。
本技術(shù)方案實施例采用上述的制造設(shè)備制備鎂基-碳納米管復合材料9
的方法中，由于采用吸氣泵72吸氣時產(chǎn)生的負壓將鎂顆粒3和碳納米管4 吸入料斗71中混合，且在吸入的過程中，鎂顆粒3和碳納米管4在Y型輸 料管75中不斷碰撞，從而在料斗71中形成鎂顆粒3和碳納米管4均勻分散 的混合體91。
另外，本技術(shù)方案實施例中釆用吸氣泵72吸氣時產(chǎn)生的負壓將鎂顆粒 3和石友納米管4吸入料斗71中的方式，可以通過控制第一開關(guān)閥751和第二 開關(guān)閥752的大小間斷地向料斗71中加入一定量的混合體91,從而確保觸 變成形機5的正常運轉(zhuǎn)，但又使得料斗71中不至于積存大量的混合體91。 上述的間斷地向料斗71加料的方式可以防止由于鎂顆粒3和碳納米管4的 密度相差較大，在混合體91中產(chǎn)生成分偏析。此外，本技術(shù)方案還可為連 續(xù)不斷地向料斗71中吸入混合體91,通過控制第一開關(guān)閥751和第二開關(guān) 閥752的大小，從而確保觸變成形機5正常運轉(zhuǎn)且不積存大量的混合體91。 相較于傳統(tǒng)的一次向料斗71中加入大量的鎂顆粒3和碳納米管4的混合體 91的方式，其容易在料斗71處積存的大量的混合體，而在上述的混合體中 產(chǎn)生較大的成分偏析。故，本技術(shù)方案實施例由于采用一吸氣泵72將鎂顆 粒3和碳納米管4吸入料斗71中的方式，可以有效地避免鎂顆粒3和碳納 米管4的混合體91加入料斗71后產(chǎn)生成分偏析。
在上述的4美顆粒3和碳納米管4的混合體91進入加熱桶51之后，通過 螺桿56在觸變態(tài)漿料92中的旋轉(zhuǎn)攪拌，使得碳納米管4在觸變態(tài)的漿料92 中的分布進一步均勻化，從而噴入壓鑄模具6后，形成碳納米管4分散均勻 的鎂基-碳納米管復合材料9。由于碳納米管4在鎂基-碳納米管復合材料9 中均勻分散，所以利用技術(shù)方案所提供的制造設(shè)備所制備的鎂基-碳納米管 復合材料9具有強度高和韌性好等優(yōu)點。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，當然，這些 依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備，該制造設(shè)備包括一觸變成形機、一壓鑄模具及一進料裝置，所述的觸變成形機包括一加熱桶、一供料口及一噴嘴，供料口設(shè)置在加熱桶的第一端，噴嘴設(shè)置在加熱桶與第一端相對的第二端，所述的壓鑄模具設(shè)置于上述的噴嘴處，所述的觸變成形機進一步包括一加熱帶、一螺桿，該加熱帶環(huán)繞在加熱桶的外圍，該螺桿設(shè)置在加熱桶的軸心處，進料裝置包括一料斗，該料斗設(shè)置在供料口上，其特征在于，上述的進料裝置還進一步包括一吸氣裝置、一第一料桶、一第二料桶及輸料管，上述吸氣裝置設(shè)置在料斗上，料斗與第一料桶和第二料桶之間用輸料管連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備，其特征在于，在 加熱帶的外圍設(shè)置一保溫層。
3. 如權(quán)利要求1所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備，其特征在于，所 述的吸氣裝置為一吸氣泵。
4. 如權(quán)利要求1所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備，其特征在于，在 第 一料桶中放置有大量的鎂顆粒，在第二料桶中放置有大量的碳納米管。
5. 如權(quán)利要求1所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備，其特征在于，連 接料斗與第一料桶和第二料桶的輸料管為一 Y型輸料管。
6. 如權(quán)利要求5所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備，其特征在于，在 連接第一料桶的Y型輸料管第一個分支上設(shè)置有第一開關(guān)閥，在連接第二 料桶的Y型輸料管第二分支上設(shè)置有第二開關(guān)閥。
7. 使用如權(quán)利要求1所述的制造設(shè)備制備鎂基-碳納米管復合材料的方法，其 包括以下步驟提供大量的鎂顆粒和大量的碳納米管；用 一吸氣裝置將上述的鎮(zhèn):顆粒和碳納米管吸入觸變成形機中，形成一鎂顆粒 和碳納米管的混合體；加熱上述混合體，形成一觸變態(tài)的漿料；以及將上述漿料噴入一壓鑄模具中，冷卻后，形成4l羞-碳納米管復合材料。
8. 如權(quán)利要求7所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所 述的鎂顆粒為純鎂顆?；蜴V合金顆粒，鎂顆粒的平均直徑為20納米-100微 米，碳納米管的直徑為1.0納米-150納米，長度在1微米-10微米。
9. 如權(quán)利要求8所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，所 述鎂合金顆粒的組成為鎂和鋅、錳、鋁、鋯、釷、鋰、銀、鈣等元素的一種 或多種，其中鎂元素的質(zhì)量百分比大于80%,其他元素的總質(zhì)量百分比小 于20%。
10. 如權(quán)利要求7所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，通 過吸氣裝置將鎂顆粒和碳納米管吸入觸變成形機的料斗中進行混合。
11. 如權(quán)利要求7所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，加 熱鎂顆粒和碳納米管混合體形成觸變態(tài)漿料的過程中，通過螺桿的旋轉(zhuǎn)進行 攪拌。
12. 如權(quán)利要求7所述的鎂基-碳納米管復合材料的制造方法，其特征在于，通 過螺桿的旋轉(zhuǎn)將觸變態(tài)漿料噴入壓鑄模具中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂基-碳納米管復合材料的制造設(shè)備，該制造設(shè)備包括一觸變成形機、一壓鑄模具及一進料裝置。本發(fā)明還涉及一種使用該制造設(shè)備制備鎂基-碳納米管復合材料的方法，其包括以下步驟提供大量的鎂顆粒和大量的碳納米管；用一吸氣裝置將上述的鎂顆粒和碳納米管吸入觸變成形機中，形成一鎂顆粒和碳納米管的混合體；加熱上述混合體，形成一觸變態(tài)的漿料；將上述漿料噴入一壓鑄模具中，冷卻后，形成鎂基-碳納米管復合材料。使用本發(fā)明所述的制造設(shè)備所制備的鎂基-碳納米管復合材料，由于其中的碳納米管分散均勻，從而具有強度高和韌性好等優(yōu)點，可廣泛地應用于3C產(chǎn)品、汽車零部件、航天航空零部件等方面。
文檔編號B22F3/115GK101376170SQ200710076768
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)明者李文珍, 杜青春, 許光良, 陳正士, 陳錦修 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司