粉末冶金在CNTs增强金属基复合材料中的应用.pdf

第 2 5卷 第 1期 2 0 1 5年 2月 粉 末 - 台金 工 业 POW DER M ETALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 5，No ． 1 ，pl 一 7 F e b ． 2 01 5 DOh 1 0 ． 1 3 2 2 8 8 ．b o y u a n ． i s s n l 0 0 6 6 5 4 3 ． 2 0 1 4 0 0 8 5 粉末冶金在 CNT s 增强金属基复合材料 中的应用 易健宏 ，鲍 瑞 1 ． 昆明理工大学 材料科学与工程学院， 云南 昆明 6 5 0 0 9 3 2 ． 中南大学 粉末冶金国家重点实验室 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 摘 要 碳纳米管 C NT s 具有优异 的力学和物理化 学性能， 是理想 的复合材 料增 强体之一。综述了近几年 国 内外通 过粉末冶金方 法进行 C NT s 增强金属基 复合材料制 备的应用 ， 阐述 了用 粉末冶金法制 备 C NT s ／ 金 属基 复合粉末和块体材料 的进展 ， 最后对其应用前景进行 了展望 。 关键词 C NT ； 金属基 粉末冶金； 增 强 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 - 6 5 4 3 - 2 0 1 5 0 1 - 0 0 0 1 - 0 7 App l i c a t i o n o f po wd e r me t a l l ur g y i n CNTs r e i nf o r c e d me t a l ba s e d c o mp o s i t e s YI J i a n h o ng ，BAO Ru i 1 ． F a c u l t y o f Ma 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 ， K u n mi n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Ku n mi n g 6 5 0 0 9 3 ， Ch i n a ；2 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o fP o wd e r M e t a l l u r g y , Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a A b s t r a c t Ca r b o n n a n o tu b e s C NT s h a v e e x c e l l e n t me c h a n i c a l ， p h y s i c a l a n d c h e mi c a l p r o p e r t i e s ， w h i c h a r e t h e i d e a l r e i n f o r c e d c o mp o s i t e ma t e r i a l s ． T h e a p p l i c a t i o n f o r p r e p a r a t i o n o f CNT s r e i n f o r c e d m e t a l m a t r i x c o mp o s i t e b y p o wd e r me t a l l u r g y me t h o d a t h o me a n d a b r o a d i n r e c e n t y e a r s wa s r e v i e we d ． T h e p r o g r e s s o f CNT s ／ me t a l ma t r i x c o mp o s i t e p o wd e r a n d b l o c k ma t e r i a l s wa s d e s c r i b e d i n d e t a i l ． Fi n a l l y , t h e a p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d wa s p r o s pe c t e d． Ke y wo r d s CNT； me t a l b a s e d ； p o wd e r me t a l l u r g y ； r e i n f o r c e d 碳纳米管 C NT s 具有独特 的结构和优异 的力 学性能， 其抗拉强度约为高强钢的 1 0 0 倍， 密度仅为 钢 的 1 ／ 6 ～1 ／ 7 ； 同时 C NT s 还具有优 良的导 电性 、 导 热性、 低的热膨胀系数、 良好的热稳定性和耐蚀性 ， 而成为纳米科技领域 的研究热点 一 1 。因此， C NT s 被 认 为是制备 高性 能复合材料 的理想 增强相之 一 ， C NT s 增强复合材料也成为全球材料学科 中新材料 开发方向的热点研究领域 。 目前， 国内外采用化学气相沉积法 C v D 可 以 大规模批量化生产性 能稳定的C NT s ， 且技术成熟 ， 价格低廉 ， 为 C NT s 的大规模工程应用奠 定 了坚 实 的原料基础 】 。除此 以外， 碳纳米 管定 向生长技术 也已经取得 了良好 的进展， 如北京大学李彦 团队可 以控制C NT s 的生长方式 ， 为制备显微组织更可控 和性能更优异的复合材料奠定了良好基础。 通过C NT s 增强C u 基、 Al 基、 Mg 基、 Ni 基、 Ag 基 等金属基复合材料， 具有获得高强、 高导、 耐腐蚀、 耐 磨、 易加工等优 良综合性能的潜力， 应用前景十分广 阔。国际铜业协会2 0 1 2 年对全球铜材项 目进行调研 ， 筛选出C NT s 增强C u 基复合材料是未来铜材发展方面 最具潜力的方向。近年来， 北美 】 、 欧盟 0 ] 、 东南亚 等发达国家和地区都投入了大量的资金对 C NT s 增强 基金项 目 国家 自科基金资助项 1 5 1 2 7 4 1 0 7 ， 5 1 4 0 1 0 9 8 云南省科技厅重大项 目 KKS B 2 0 1 4 5 l 0 0 4 ； 云南铜业有 限公司校企基金 4 2 叭3 5 l 0 0 7 ； 粉末冶金国家重点实验室开放基金 K KZ6 2 0 1 4 5 1 0 2 1 ； 云南省人培项 目 KKS Y 2 0 1 4 5 1 0 7 0 ； 左 铁镛院士工作站 KKK P 2 0 1 4 5 1 0 1 6 作者简介 易健宏 1 9 6 5 一 ， 男， 教授 ， 主要从事粉末冶金材料 与科学相 关的研 究工作 。 通讯作者 鲍瑞 1 9 8 6 一 ， 男， 讲师 ， 主要从事粉末冶金材料制备方面 的研 究。 收稿 日期 2 0 l 4 ． 1 0 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 粉末冶金工业 第 2 5 卷 4展望 碳纳米管增强金属基复合材料具有获得优异 综合性能的巨大潜力和广 阔应用前景， 粉末冶金方 法 由于其低成本 、 工艺简单等特 点有 望实现 C NT s ／ 金属基复合材料中C NT s 的均匀分布和 良好界面结 合 。随着研究的不断深入， 终将 可以实现粉末冶金 工艺大规模、 低成本 生产 C NT s 增强金属基 复合材 料 。 参考文献 [1] Y a o Z ， P o s t maHW C， B a l e n t s L ， e t a 1 ． C a r b o n n a n o tub ei n t r a mo l e c u l a r j u n c t i o n s [ J ] ． Na tu r e ， 1 9 9 9 ， 4 0 2 6 7 5 9 2 7 3 2 7 6 ． [2] 张敬 国， 汪礼敏， 张少 明， 等 ． 铜及铜合 金粉末 应用及研 究现 状[ j ] ． 粉末冶 金工业， 2 0 1 3 1 5 2 5 7 ． [3] Da l t o n A B， C o l l i n s S ， Mu n o z E ， e t a 1 ．S u p e rt o u g h c a r b o n n a n o t u b e fi b r e s [ J ] ． Na t u r e ， 2 0 0 3 ， 4 2 3 6 9 4 1 7 0 3 7 0 3 ． [ 4】 C i a mb e l l i P ’ Ar u r a u lt L ， S a mo M， e t a 1 ． C o n t r o l l e d g r o wt h o f CNT i n m e s o p o r o u s AAO t h r o u g h o p t i m i z e d c o n d i t i o n s f o r me mb r a n e p r e p a r a t i o n a n d C VD o p e r a t i o n [ J ] ． Na n o t e c h n 0 l 0 g y ’ 2 0 l 1 ． 2 2 2 6 2 6 5 6 l 3 ． [5] T a n e mu r a M， 1 wa t a K， T a k a h a s h i K， e t a 1 ． G r o w t h o f a l i g n e d c a r b o n n a n o t u b e s b y p l a s ma - e n h a n c e d c h e m i c a l v a p o r d e p os i t i o n o p t i mi z a t i o n o f g r o w t h p a r a me t e r s [ J ] ． J o u r n a l o f Ap p l i e d P h y s i c s ， 2 0 0 1 ， 9 0 3 1 5 2 9 一 l 5 3 3 ． 【6] P o l o S ， Mu s s o S ， V i n a n t e M， e t a 1 ． P u r i fi c a t i o n o f c a r b o n n a n o - tu b e s g r o w n b y t h e r ma l C VD[ J ] ． P h y s i c a E L o w Di me n s i o n a l S y s t e ms a n d Na n o s t r u c t u r e s ， 2 0 0 7 ， 3 7 1 5 8 6 1 ． [7] Y a n g F e n g ， Wa n g Xi a o ，Z h a n g D a q i ， e t a 1 ． C h i r a l i t y s p e c i fi c g r o wt h o f s i n g l e wa l l e d c a r b o n n a no t u b e s o n s o l i d a l l o y c a t a l y s t s [ J ] ． Na tur e ， 2 0 1 4 ， 5 1 0 5 2 2 5 2 4 ． [8] C h o Wo n d o n g ，S c h u l z Ma r k ，S h a n o v V e s s e l i n ．Gr o w t h a n d c h a r a c t e r i z a t i o n of v e r t i c a l l y a l i g n e d c e n t i me t e r l o n g CNT a r r a v s U ] ． C a r b o n ， 2 0 1 4 ， 7 2 2 6 4 - 2 7 3 ． [ 9】 Ba k s h i S R ， L a h i r i D， Ag a r wa l A． C a r b o n n a n o t u b e r e i n f o r c e d me t a l ma t ri x c o mp o s i t e s a r e v i e w[ J ] ．I n t e rna t i o n a l Ma t e r i a l s R e v i e ws ， 2 0 1 0 ， 5 5 1 4 1 6 4 ． 【 l 0】 Kr u u s e n b e r g I ， Al e x e y e v a N， T a mme v e s k i K， e t a 1 ． E ff e c t o f p u - r i fic a t i o n o f c a r bo n n a n o tube s o n t h e i r e l e c t r o c a t a l y t i c p r o p e r - t i e s f o r o x y g e n r e d u c t i o n i n a c i d s o l u t i o n [ J ] ． C a r b o n ， 2 0 1 1 ， 4 9 f l 2 40 3 1 - 4 0 3 9． [ 1 1 ] We p a s n i c k K A， S mi t h B A， S c h r o t e K E ， e t a 1 ． S u r f a c e a n d s t r u c tur a l c h a r a c t e riz a t i o n o f mu l t i wa l l e d c a r b o n n a n o t u b e s f o l l o wi n g d i ff e r e n t o x i d a t i v e t r e a t me n t s [ J ] ． Ca r b o n ， 2 0 1 1 ， 4 9 1 2 4． 3 6 ． [ 1 2 】 S u r i A， C o l e ma n K S ． T h e s u p e r i o ri ty o f a i r o x i d a t i o n o v e r l i q - u i d p h a s e o xi d a t ive tre a t me n t i n t h e p u r i fic a t i o n o f e a r b o n n a n o t u b e s [ J ] ． Ca r b o n ， 2 0 1 1 ， 4 9 9 3 0 3 1 3 0 3 8 ． [ 1 3 】 B a k s h i S R ， L a h i r i D， A g a r w a l A． C arb o n n a n o t u b e r e i n f o r c e d me t a l ma t r i x c o mp o s i t e s a r e v i e w[ J ] ．I n t e r n a t i o n a l Ma t e ri a l s R e v i e ws ， 2 0 1 0 ， 5 5 1 4 1 6 4 ． [ 1 4 】 S h u k l a A K， Na y a n N， Mu r t y S V S N． P r o c e s s i n g c o p p e r - c a r b e n n a n o t u b e c o mp o s i t e p o wd e r s b y h i g h e n e r g y mi l l i n g【 J J l M a t e ria l s Ch a r a c t e riz a t i o n ， 2 0 1 3 ， 8 4 5 8 6 6． 【 1 5 】 P r r e z B u s t a ma n t e R ， E s tra d a G u e l l ， Amr z a g a - Ma d r i d P e t a 1 ． M i c r o s t r u c r a l c h a r a c t e riz a t i o n o f AI MW CNT c o mpo s i t e s p r o d u c e d b y me c h a n i c a l mi l l i n g a n d h o t e x t r u s i o n [ J ] ． J o u rna l o f Al l o y s and C o mp o u n d s ， 2 0 1 0 ， 4 9 5 2 3 9 9 - 4 0 2 ． 【 1 6】 L i uZ X u S J ， Xi a oB L ， e t a 1 ． E ff e c t o f b a l l mi l l i n gt i me o n me c h a n i c a l p r o p e rti e s o f c arb o n n a n o t u b e s r e i n f o r c e d a l u mi ‘ n u m ma t r i x c o mp o s i t e s [ J ] ． Co mp o s i t e s P a r t A Ap p l i e d S c i e n c e a n d Ma n u f a c t t n -i n g ， 2 0 1 2 ， 4 3 1 2 2 1 6 l 一 2 1 6 8 ． 1 7 ] He C N， Z h a o N Q， S h i C S ， e t a 1 ． Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t u r e s o f c arb o n n an o tub e r e i n f o r c e d A1 ma t r i x c o rn p o s i t e f a b ri c a t e d b y i n s i t u c h e mi c a l v a p o r d e p o s i t i o n [ J ] ． J o u r - n a l o f Al l o y s a n d Co mp o u n d s ， 2 0 0 9 ， 4 8 7 1 ／ 2 2 5 8 2 6 2 ． 【 l 8 1 L i a o J Z ， T a n M J ， S r i d h a r I ． S p ark p l a s ma s i n t e r e d mu l t i wa l l c arb o n n a n o tub e r e i n f o r c e d a l u mi n u m ma t r i x c o mp o s i t e s [ J ] ． Ma t e r i a l s De s i g n ， 2 0 1 0 ， 3 1 S 9 6 1 0 0 ． 【 1 9 ] De n gC F ’ Wa n gD Z ， Z h a n gXX， e t a 1 ． P r o c e s s i n g a n d p r o p e r t i e s o f c a r b o n n a n o t u b e s r e i n f o r c e d a l um i n u m c o mp o s i t e s [ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g A ， 2 0 0 7 ， 4 4 4 I ／ 2 1 3 8 - 1 4 5 ． [ 2 O] T o k u n a g a L K a n e k o K ， Ho r i t a z ． P r o d u c t i o n o f a l u mi n u m ma t r i x c arb o n n a n o tub e c o mp o s i t e u s i n g h i g h p r e s s u r e t o r s i o n [ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g A， 2 0 0 8 ， 4 9 0 1 ／ 2 3 0 0 3 0 4 ． [ 2 1 ] Kwo n H， P a r k D H， S i l v a i n J e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o f c a r b o n n a n o tub e r e i n f o r c e d a l u mi n u m ma t r i x c o mp o s i t e ma t e r i a l s [ J ] ． C o mp o s i t e s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , 2 0 1 0 ， 7 0 3 5 4 6 - 5 5 0 ， [ 2 2 ] He C N， Z h a o N Q， S h i C S ， e t a l Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d mi c r os t r u c t u r e s o f c a r b o n na n o tub e r e inf o r e e d AI m a tri x c o rn- p o s i t e f a b ri c a t e d b y i n s i t u c h e mi c a l v a p o r d e p o s it i o n [ J ] ． J o u r n a l o f Al l o y s a n d C o mp o u n d s ， 2 0 0 9 ， 4 8 7 1 ／ 2 2 5 8 2 6 2 ． [ 2 3] P r r e z - B u s t a ma n t e R， G 6 me z E s p a r z a C D， E s t r a d a Gu e l I ， e t a l M i c r o s t r u c t u r a l a n d me c h a ni c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o fAI M W C NT c o mp o s i t e s p r o d u c e d b y me c h a n i c a l mi l l i n g [ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g in e e r i n g A， 2 0 0 9 ， 5 0 2 1 ／ 2 1 5 9 1 6 3 ． [ 2 4 ] Mo r s i K， E s a wi A M K， Bo r a h P ， e t a 1 ． P r o p e rt i e s o f s i n g l e a n d d u a l ma tr i x a l u mi n u mc a r b o n na n o t u b e c o m p o s i t e s p r o c e s s e d v i a s p a r k p l a s ma e x tr u s i o n S P E [ J ] ． Ma 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 A， 2 0 1 0 ， 5 2 7 2 1 ／ 2 2 5 6 8 6 _ 5 6 9 0 ． 【 2 5 】 3 o 0 S J ， Ha n SH， Ki m W J ． A c o mb i n a t i o n o f b a l l mi l l i n g a n d h i gh r a t i o d i ffe r e n t i a l s p e e d r ol l i n g f o r s y n t h e s i z i n g c a r b o n n a n o t u b e ／ c o p p e r c o mp o s i t e s [ J ] ． C a r b o n ， 2 0 1 3 ， 6 1 4 8 7- 5 0 0 ． [ 2 6 】 Ag a r wa l A，Ba k s h i S R，L a h i r i D．C a r b o n n a n o tub e s r e in f o r c e d me t a l ma t ri x c o mp o s i t e s [ M] ． B o c a R a t o n ， F l o ri d a CR C P r e s s ， 2 0 1 0 ． [ 2 7 】 聂俊辉， 贾成厂， 张亚丰， 等． 机械球 磨与放 点等离子体烧结制 备碳纳米管， 铜复合材料 f J 1 ． 粉末冶金工业， 2 0 l 1 ， 2 l 5 4 4 5 0 [ 2 8 】 E s a wi A M K， Mo r s i K， S a y e dA， e t a 1 ． E ff e c t o f c a r b o n n a n o tub e C NT c o n t e n t o n t h e me c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f C NT - r e i n f o r c e d a l u mi n i u m c o mp o s i t e s [ J ] ． C o mp o s i t e s S c i e n c e a n d T e c h 。 n o l o g y , 2 0 1 0 ． 7 0 1 6 1 2 2 3 7 2 2 4 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 易健宏等 粉末冶金在 CNT s 增 强金属基复合材 料中的应用 7 [ 2 9】 L i S ， S u n B， I ma i H， e t a 1 ． P o w d e r me t a l l u r g y t i t a n i u m me t a l m a t r i x c o mp o s i t e s r e i n f o r c e d wi t h c a r b o n na n o t u b e s a n d g r a p h i t e [ J ] ． Co mp o s i t e s P a r t A Ap p l i e d S c i e n c e a n d Ma n u f a c tu ri n g ， 2 01 3 ， 48 5 7 6 6． [ 3 0] S i m6 e s S ， V i a n a E Re i s M A L， e t a 1 ． I mp r o v e d d i s p e r s i o n o f c a r b o n n a n o tub e s i n a l u mi n u m n a n o c o mp o s i t e s [ J ] ．C o mp o s i t e S t r uc tur e s ， 2 01 4 ，1 0 8 9 9 2 1 0 0 0 ． [ 3 1 ] S h i n S E ， Ch o i H J ， B a e D H． Mi c r o a l l o y i n g a s s i s t e d c o n s o l i d a t i o n o f a l u mi n u m／ c a r b o n n a n o tu b e s p o wd e r [ J ] ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E ng i n e e rin g A， 20 1 4， 5 99 46 5 0． [ 3 2】 Kwo n H， S a a ma M， Y o o n S ， e t a 1 ． E ff e c t o f mi l l i n g t i me o n d u a l - -na n o p a rti c u l a t e - r e i n f o r c e d a l u m i n um a l l o y ma t r i x c o mp os i t e ma t e r i a l s [ J ] ． Ma t e ria l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A， 2 0 1 4 ， 5 9 0 3 3 8 3 45 ． [ 3 3 】 Kwo n H，L e p a r o u x M． Ho t e x t r u d e d c a r b o n n a n o t u b e r e i n f o r c e d a l u mi n u m ma t ri x c o mp o s i t e ma t e r i a l s [ J ] ． Na n o t e c h n o l o g Y , 2 0 1 2 ， 2 3 4 1 4 1 5 7 0 1 ． [ 3 4 ] J a f a r i M， Ab b a s i M H， E n a y a t i M H， e t a 1 ． Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f nano s t r u c t u r e d A1 2 0 2 4 一 MW CNT c o mp o s i t e p r e p are d b y o p t i mi z e d me c h a n i c a l mi l l i n g a n d h o t p r e s s i n g me t h o d s [ J ] ． Ad v a n c e d P o wd e r T e c h n o l o g y , 2 0 1 2 ， 2 3 2 2 0 5 2 1 0 ． [ 3 5 ] Y u e G， C a i XL ， Wa n gK J ， e t a 1 ． I n t e r f a c e r e a c t i o n o f C NT s ／ A1 c o mp o s i t e s f a b r i c a t e d b y h i 曲 e n e r g y b a l l mi l l i n g [ J ] ． Ad v a n c e d M a t e r i a l s Re s e ar c h ， 2 01 3， 7 5 0 90 9 4 ． [ 3 6 ] P 6 r e z B u s t a ma n t e R， P r r e z B u s t a ma n t e E E s t r a d a Gu e l I ， e t a 1 ． Effe c t o f m i l l i ng t i me a n d CNT c o n c e n tra t i o n o n h a r d n e s s o f C NT ／ AI 2 0 2 4 c o mp o s i t e s p r o d u c e d b y me c h a n i c a l a l l o y i n g [ J ] ． M a t e ria l s Ch ara c t e r i z a t i o n ， 2 01 3 ， 7 5 1 3 - 1 9 ． [ 3 7] B u i HLT r a nBL L e DQ， e t a 1 ． T h e e ff e c t o f s i n t e ri n gt e mp e r - a tur e o n t h e me c ha n i c a l p r o pe r t i e s o f a Cu ／ CNT n a n o c o mp os i t e p r e p a r e d v i a a p o wd e r me t a l l u r g y me t h o d [ J ] ． Ad v a n c e s i n Na t u r a l S c i e n c e s Na n o s c i e n c e a n d Na n o t e c hno l o g y ,2 0 1 1 ，2 1 01 5 0 0 6 ． [ 3 8 】 S h u k l a A K， Na y an N， Mu r t y S ， e t a 1 ． P r o c e s s i n g o f c o p p e r - c a r - b o n n ano t u b e c o mp o s i t e s b y v a c u um h o t p r e s s i n g t e c h n i q u e [ J ] ． Ma t e r i a l s S c i e n c e an d En g i n e e rin g A， 2 01 3 ， 5 6 0 3 6 5 3 7 1 ． [ 3 9 ] R a j k u ma r K， A r a v i n d a n S ． T r ib o l o g i c a l s tud i e s o n mi c r o wa