采用粉末冶金与热轧技术制备的碳纳米管增强铝基复合材料的组织和性能研究.pdf

／ ； ／ ； ／ ／ ； ＼ 一 试验研究 一 采用粉末冶金与热轧技术制备的碳纳米管增强铝基 复合材料的组织和性能研究 董 占青 ， 裴久阳 ， 陈名海 ， 刘 宁 ， 李清文 1 ． 合肥工业大学材料科学与工程学院， 安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 ； 2 ． 中国科 学院苏州纳 米技 术与纳米仿 生研 究所 ， 江苏苏州 2 1 5 1 2 3 摘 要 采用粉末冶金与热轧相结合的技术制备 了碳纳米管增强铝基复合材料 。研 究了碳 纳米管含量对复 合材料显微组织和力学性能的影响。结果表明， 碳 纳米管的加入明显提 高了复合材料 的硬度和抗 拉强度。碳 纳米管含量为 1 ． 5 ％ 质量分数 的复合材料 的硬 度和抗拉 强度达到 了 9 3 ． 3 3 H B和 2 9 8 ． 2 3 MP a ， 比铝基体分别提 高了约 1 5 ． 4 ％和 3 3 ． 4 ％。复合材料 的断 口形貌显示， 纯铝的断裂方 式为韧性断裂， C N T s ／ A 1 基复合材料的断裂方式为脆性断裂。 关键词 碳纳米管； 粉末冶金 ； 热轧； 铝基复合材料 ； 力学性能 中图分类号 T B 3 3 1 ； T G 1 4 6 ． 2 l 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 1 6 9 0 2 0 1 5 0 5 0 0 0 6 0 5 M i c r o s t r u c t u r e a nd Pr o pe r t y o f Ca r bo n Na no t ub e Re i n f o r c e d Al u mi nu m ． M a t r i x Co mp o s i t e s Pr e pa r e d b y Po wde r M e t a l l ur g y Co mb i n e d 、 t h Ho t Ro l l i ng DONG Zh a n q i n g 。 ，P E I J i u y a n g 一 ，C H E N Mi n g h a i ， L I U N i n g ， L I Q i n g w e n 1 ． S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He f e i 2 3 0 0 0 9，An h ui Chi n a；2． S u z h o u I n s t i t u t e o f Na n o t e c h a n d Na n o - b i o n i c s， C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e ，S u z h o u 2 1 5 1 2 3 ， J i a n g s u C h i n a Ab s t r a c t C a r b o n n a n o t u b e C N T r e i n f o r c e d a l u m i n u m ma t r i x c o mp o s i t e s w e r e p r e p a r e d b y p o w d e r m e t a l l u r g y c o mb i n e d wi t h ho t r o l l i n g ．Th e e f f e c t o f c a r b o n n a n o t u b e c o n t e n t O i l mi c r o s t m c t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c o red o ．s i t e s wa s i n v e s t i g a t e d．T he r e s u l t s s ho w t h a t ha r d n e s s a n d t e ns i l e s t r e ng t h o f t h e c o mp o s i t e s c a n be o b v i o u s l y i mp r o v e d d u e t o t h e a d d i t i o n o f CN T s ．T h e h a r d n e s s a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c o mp o s i t e s w i t h 1 ． 5 ％C NT s b y ma s s r e a c h e d 9 3． 3 3 HB a n d 2 9 8． 23 MPa．b e i ng a b o u t 1 5． 4％ a n d 3 3． 4％ hi g h e r t h a n t h o s e o f a l u mi n u m ma t r i x， r e s p e c t i v e l y ．Fr o m f r a c t u r e mo r p h o l o g y o f t h e c o mp o s i t e s i t wi l l b e s e e n t ha t t he f r a c t u r e f o r m o f p u r e a l umi n u m i s d u c t i l e f r a c t u r e．a n d t h e f r a c t u r e f o r m o f t h e CNTs ／A1 - ma t r i x c o mpo s i t s i s b r i t t l e f r a c t u r e ． Ke y wo r dsc a r bo n n a n o t u b e；p o wd e r me t a l l ur g y；h o t r o l l i n g；A1 一 ma t r i x c o mp o s i t e；me c ha n i c a l p r o p e r t y O 引言 1 9 9 1年 日本 电子显微镜专家 I i j i m a ． S ’ 发现碳 纳米管 C N T s ， 因其超强的热力学和 电学性能 ， 引 起了广泛关注。大量试验研究表 明， 多壁碳 纳米管 M WC N T s 的弹性模量可达 1 ． 8 T P a ， 抗拉强度可高 达 5 5 ． 5 G P a ， 并具有 良好 的热稳定性 和润滑性 ， 成 为理想的增强体材料 。 ， 广泛应用于陶瓷 、 聚合物 和金属基结构复合材料当中。目前碳纳米管增强铝 基复合材 料 的常 用制 备方 法 包括 传 统粉 末 冶金 法 ] 、 喷涂法 J 、 搅拌摩擦法 、 原位化学气相沉积 法 等 ， 尤其以传统粉末冶金法最为普遍。但是 由 收 稿 日期 2 0 1 5 0 2 - 0 5 作者简介 董 占青 1 9 8 9 一 ， 男， 江西九江人 ， 硕士研究生， 主要从事碳纳米管增强铝基复合材料的研究。 联 系电话 1 8 3 6 2 6 9 2 7 5 4，E m a i l z q d o n g 2 0 1 3 s i n a n o ． a c ． e n 通讯作者 陈名海 1 9 7 8 一 ， 男， 博士， 项 目 研究员， 主要从事功能纳米碳材料制备及应用研究。 E ma i l mh c h e n 2 0 0 8 s i n a n o ． a c ． c n 基金项 目 中国科学院战略性新兴产业专项 Z N WH 一 2 0 1 0 0 1 2 、 苏州市纳米专项 S Y G 0 9 0 5 6 热处理 2 0 1 5年第 3 O卷第 5期 2结果与讨论 2 ． 1 复合材料的 X R D分析 图4为不 同 C N T s 含量下 的 C N T s ／ A 1 基复合材 料物相分析的 X R D图谱。与纯铝相对比， 明显发现 在 C N T s 含量 较高时 ， C N T s ／ A 1 基复合 材料 中出现 了类似于碳 纳 米管 结 构 的管状 化合 物 A 1 C 见 图 4 。 这表明有少量 的 C N T s 和 A l 基体发生反应。 在 图4中可 以看到 C N T s 的衍射峰 ， 证 明在采用本 试验热轧工艺来 制备 C N T s ／ A 1 基 复合材料 时依 旧 有 C N T s 存在 ， 其在复合材料 中作为增强相 ， 提高了 力学性 能。此 外 ， X R D没有 检测 到有 A 1 ， O 的存 在， 这也说明其在复合材料中含量极少。 I A1 CNT 一 ◆ A1 ． C ● - ● - 一 e ● ． ． ． I I 一 d ． 1 ． J_ ． C 1 ． b j ． 1 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 7 O 8 O 9 0 2 O ／ 。 、 a 一 纯铝 ； b - 0 ． 5 ％ ；c 一 1 ． O ％ ； d 一 1 ． 5 ％ ； e - 2 ． O ％ a p u r e a l u min u m ；b - 0 ． 5 ％ ；e 一 1 ． O ％ ；d - 1 5 ％ ；e - 2． O ％ 图 4 不 同 C N T s 含量 的复合材料 的 XR D图谱 F i g ． 4 XRD p a t t e r n s o f t h e c o mp o s i t e s wi t h d i f f e r e n t CNTs c on t e n t s 图 5复合材料 中 AI4 C 3的 I E M 形貌 Fi g． 5 TEM mo r ph o l o g y o f A1 4 C3 i n t he c o mp o s i t e s 2 ． 2 碳纳米管对复合材料力学性能的影响 表 1为 C N T s ／ A 1 基 复合 材料 的密 度和 硬度。 由表 1 可知， 随着 C N T s含量 的增加 ， 复合材料的实 际密度呈单调递减的趋势。由于 C N T s的实际密度 比铝基体的密度小， C N T s 含量的增加会导致材料的 孔隙增多 ， 使得 复合 材料 的实 际密度 和相对 密度 实际密度／ 理论密度 均不断减小 。当碳纳米管质 量分数小于 1 ． 5 ％时 ， C N T s 在铝基体起 到增强复合 材料 的力学性能且效果显著。在 C N T s 质量分数在 1 ． 5 ％～2 ． 0 ％时， C N T s 容易团聚在 A l 的晶界处 ， 使 界面不能良好结合 ， 部分抵 消了 C N T s含量增加对 复合材料性能的提高， 使复合材料硬度增加趋势减 小 ； 当 C N T s 质量分数为 2 ％时 ， C N T s 会 出现严重团 聚现象， 复合材料的致密度降低等因素影响超过了 C N T s 本身增强复合材料力学性能 ， 所以复合材料的 表 1 C N T s ／ Al 基复合材料的密度和硬度 T ab le 1 De n s i t y a n d h a r d n e s s o f t h e CNT s ／ AI - ma t r ix c o mp o s it e s 硬度迅速降低。当 C N T s 的质量分数为 1 ． 5 ％时 ， 复 合材料硬度 比纯铝基体提高了约 1 5 ． 4 ％。 图 6为不 同 C N T s含量 下复合 材料 的抗拉 强 度。由图 6可 以 看 出， 在 碳 纳 米 管 含 量 在 0到 1 ． 5 ％ 范围内， 复合材料 的强度随着碳管含量 的增 加呈单 调 递 增 的 趋 势 ， 当碳 纳 米 管 质 量 分 数 为 1 ． 5 ％ 时 ， 拉伸强度达到 2 9 8 ． 2 3 MP a ， 相 比纯铝提高 了 3 3 ． 4 ％。随着碳管含量的继续增加 ， 拉伸强度开 始出现下降的趋势 ， 这是 因为碳纳米管 中含有的无 定形碳与铝发生 的反应生成 了化合物 A 1 C ， 一般 来说这很容易在反应 区域造成应力集 中， 从而降低 了复合材料的强度 。图 7为复合材料的应力 应变 曲线图。由图 7可知 ， 当碳纳米管含量增加时， 复合 材料的断后伸长率迅速降低 。这是 因为碳管的增加 易形成团聚而使复合材料产生应力集 中， 影 响到复 合材料 的延展性 ， 降低 了复合材料的塑性 ， 使得复合 材料的最终的应变变小 ， 在碳管含量为 2 ％时 ， 应变 约 为 5 ． 5 ％ 8 热处理 2 0 1 5年第 3 0卷第 5期