碳納米管增強(qiáng)2024鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能及斷裂特性

鄧春鋒，馬艷霞，薛旭斌，張學(xué)習(xí)，王德尊

(1.洛陽(yáng)船舶材料研究所，洛陽(yáng)471039，E-mail:cfdeng2000@163.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001)

碳納米管增強(qiáng)2024鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能及斷裂特性

鄧春鋒1，馬艷霞1，薛旭斌1，張學(xué)習(xí)2，王德尊2

(1.洛陽(yáng)船舶材料研究所，洛陽(yáng)471039，E-mail:cfdeng2000@163.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001)

為了研究碳納米管對(duì)鋁基復(fù)合材料性能的影響，采用冷等靜壓、熱擠壓方法制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的多壁碳納米管增強(qiáng)2024Al基復(fù)合材料.采用掃描電鏡、透射電鏡和拉伸試驗(yàn)對(duì)復(fù)合材料的顯微組織進(jìn)行了觀察和分析，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試.結(jié)果表明，碳納米管均勻地分布在復(fù)合材料中，碳納米管和鋁基體的界面結(jié)合良好，沒有發(fā)現(xiàn)界面產(chǎn)物Al4C3的形成;復(fù)合材料的斷口上存在大量的撕裂棱，韌窩，并涉及碳納米管的拔出或拔斷與橋接，與2024Al基體材料相比，復(fù)合材料的硬度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)復(fù)合材料的延伸率卻并不下降.碳納米管的加入可以顯著提高鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能.

碳納米管;鋁基復(fù)合材料;制備;力學(xué)性能;斷口

自1991年碳納米管［1］被日本NEC公司的電子顯微鏡專家飯島Iijma在高分辨透射電鏡(HRTEM)下發(fā)現(xiàn)以來(lái)，碳納米管的研發(fā)已引發(fā)人們廣泛的關(guān)注［2-3］.碳納米管具有納米級(jí)的管徑，優(yōu)異的力學(xué)性能以及較低的密度，是理想的納米晶須增強(qiáng)增韌材料，被稱為纖維類強(qiáng)化相的終極形式，其長(zhǎng)徑比很高，而且，由于碳納米管的體積遠(yuǎn)小于常規(guī)碳纖維，因此，與金屬基體復(fù)合時(shí)，不會(huì)破壞基體的連續(xù)性，且可用較小的體積摻入量就能達(dá)到常規(guī)碳纖維復(fù)合材料的性能.近年來(lái)，以碳納米管為增強(qiáng)體增強(qiáng)聚合物［4］、陶瓷［5］、金屬［6-10］等基體復(fù)合材料的研究已廣泛開展起來(lái).

鋁及鋁合金具有密度小、耐腐蝕和加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，隨著航空、航天和汽車制造現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，對(duì)這類材料的比強(qiáng)度、比剛度、耐磨性、耐熱性和抗疲勞等力學(xué)性能提出了更高的要求.由于碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能，良好的熱穩(wěn)定性，且為納米量級(jí)，以碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為鋁基復(fù)合材料性能的更進(jìn)一步提高又提供了一個(gè)新的途徑.Kuzumaki［6］等人用少量的CNTs增強(qiáng)Al基復(fù)合材料，獲得強(qiáng)度提高一倍的增強(qiáng)效果，而 Rong Zhong［7］等利用熱壓法制備的SWCNTs/nano-Al復(fù)合材料最高硬度達(dá)到2.89 GPa，大約是粗晶鋁的 20倍，Torou Noguchi［8］等利用浸滲法獲得體積分?jǐn)?shù)1.6%的碳納米管/鋁基復(fù)合材料的屈服應(yīng)力比純鋁的提高了7倍.而利用碳納米管增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料還未見報(bào)到，本文采用粉末冶金法制備多壁碳納米管增強(qiáng)2024Al基復(fù)合材料，并測(cè)試了復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能，研究了復(fù)合材料的斷裂機(jī)理.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)選用復(fù)合材料的基體為2024Al合金粉末，名義尺寸為56 μm，合金粉末成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為Cu:4.18%，Mg:1.44%，Mn:0.58%，Si:0.06%，其余為Al.增強(qiáng)體為碳?xì)浠衔锔邷卮呋纸馍傻亩啾谔技{米管，平均直徑為20～30 nm(圖1)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%.

CNTs的純化:原始的碳納米管在濃HNO3溶液中120℃回流10 h后靜置，然后除去上層的酸液，用去離子水反復(fù)洗滌4次后，放入無(wú)水乙醇中保存待用.復(fù)合粉體的制備:將純化后的CNTs在無(wú)水乙醇中超聲分散后，加入2024Al粉末，同時(shí)利用超聲波振蕩加機(jī)械攪拌在80℃混合CNTs和2024Al粉體，最后將復(fù)合粉體在100℃真空烘干，用球磨將復(fù)合粉體塊體破碎.復(fù)合材料的制備:將復(fù)合粉體放入特制的鋁包套內(nèi)振實(shí)，然后再放入橡膠模具內(nèi)，抽真空后密封;密封后的包套在冷等靜壓機(jī)上冷壓致密，壓力為300 MPa，保壓時(shí)間5 min.最后將冷壓后的坯料在460℃熱擠壓，擠壓比為25∶1.為進(jìn)行比較，制備了相應(yīng)基體成分的2024Al合金試樣.此外，為了與復(fù)合材料力學(xué)性能相比較，在相同的制備工藝下制備了2024Al基體材料.采用Philips CM12透射電子顯微鏡觀察分散前后碳納米管的分散狀態(tài)，利用Hitachi S-4700場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察了CNTs和2024Al粉末的混合狀況以及復(fù)合材料的斷口形貌.在Instron5569萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試了復(fù)合材料的室溫拉伸性能，拉伸試樣的標(biāo)距為15 mm，十字頭的移動(dòng)速度0.5 mm/min，維氏硬度由HV-5型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)定，復(fù)合材料的密度用阿基米德法測(cè)定.

2 結(jié)果及分析

2.1 酸處理對(duì)碳納米管純化及分散的影響

圖1 碳納米管的形貌

以碳?xì)浠衔锔邷卮呋纸庵苽涞奶技{米管，所得的產(chǎn)物中也同時(shí)混有各種雜質(zhì)粒子，如無(wú)定形碳、碳納米顆粒子、碳納米球、催化劑粒子(Fe、Co、Ni)等.這些雜質(zhì)的存在不僅會(huì)損害碳納米管的力學(xué)性能，同時(shí)也會(huì)使碳納米管不易分散，在范德華力的作用下，更容易團(tuán)聚在一起.制備性能優(yōu)異復(fù)合材料的先決條件是增強(qiáng)體在基體中彌散分布，因此，在制備復(fù)合材料前對(duì)碳納米管進(jìn)行純化及分散是十分必要的.圖1為碳納米管純化前后的TEM照片，由圖1(a)可知，供給態(tài)的碳納米管管徑在20～30 nm，長(zhǎng)徑比很大，碳納米管相互纏結(jié)在一起形成團(tuán)聚體，在這些團(tuán)聚體里面又存在很多的雜質(zhì)粒子.而圖1(b)顯示了濃HNO3回流處理后的碳納米管的形貌，可以看到，碳納米管經(jīng)過回流處理后，雜質(zhì)粒子已完全被溶解掉，碳納米管表面十分干凈，分散比較均勻，同時(shí)，也能觀察到被濃HNO3腐蝕斷的單根碳納米管.碳納米管具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，耐強(qiáng)酸、耐強(qiáng)堿腐蝕，而其他雜質(zhì)粒子的穩(wěn)定性都遠(yuǎn)不如碳納米管，濃HNO3具有強(qiáng)的氧化性，能夠氧化熔解雜質(zhì)粒子，但不會(huì)氧化碳納米管，但碳納米管本身也存在部分缺陷，在這些缺陷處容易被酸剪斷，剪斷后的碳納米管降底低了長(zhǎng)徑比，減弱了CNTs間范德華力的作用，從而達(dá)到有效的分散［11-12］.

2.2 碳納米管與合金粉體的混合狀況

圖2 復(fù)合粉體的SEM照片

碳納米管和2024Al混合粉末的形貌如圖2所示，從圖2(a)可知，原始態(tài)2024Al粉末尺寸范圍分布較廣，平均直徑在60 μm左右，粉末的形狀多以近球形及亞鈴形，這是非常有益于粉體的塑性成形的.而圖2(b)表明，碳納米管和2024Al粉末混合后，碳納米管主要分布在合金粉末的表面，同時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚的碳納米管，這說明碳納米管與鋁粉的混合是均勻的.已有研究［13］表明，碳納米管經(jīng)HON3處理后，在碳納米管的表面會(huì)引入一些〉C O和—OH基官能團(tuán)，這些官能團(tuán)的存在改變了碳納米管的表面特性，同時(shí)由于合金粉末與碳納米管存在巨大的表面能差，這些可能是造成碳納米管與合金粉體均勻混的原因，但具體的分散機(jī)理還待進(jìn)一步的研究.

2.3 復(fù)合材料的斷口分析

復(fù)合材料的室溫拉伸斷口形貌如圖3所示.由圖3(a)可見，在復(fù)合材料的斷口處可以觀察到大量的韌窩與撕裂棱，因此，從微觀上來(lái)看，呈現(xiàn)韌性斷裂特征，其韌窩的形成方式主要有兩種:一種是大韌窩，這種韌窩的尺寸形狀都與原始2024Al粉末的顆粒有關(guān)，但在復(fù)合材料的斷口處存在較多細(xì)小韌窩，撕裂比較劇烈.圖3(b)和(c)分別顯示了碳納米管在復(fù)合材料基體中拔出/拔斷和牽拉兩個(gè)裂紋面.這也說明碳納米管和基體界面結(jié)合狀態(tài)良好.界面結(jié)合強(qiáng)度足夠高，材料在承受拉應(yīng)力時(shí)能夠有效地將載荷傳遞到增強(qiáng)體，而碳納米管的拔出/拔斷和橋接也使裂紋偏轉(zhuǎn)，消耗了斷裂能力，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度.同時(shí)，在復(fù)合材料斷口的SEM觀察過程中發(fā)現(xiàn)，管狀的碳納米管均勻地分布在復(fù)合材料中，沒有團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，并且也沒有發(fā)現(xiàn)棒狀的Al4C3碳化物的生成，這也說明采用等靜壓后熱擠壓制備復(fù)合材料，碳納米管在鋁基體中是穩(wěn)定的.

圖3 復(fù)合材料的斷口形貌

2.4 碳納米管對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

復(fù)合材料和基體力學(xué)性能參數(shù)及相對(duì)變化如表1所示，由表1可見，復(fù)合材料的維氏硬度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量都比基體顯著提高，同時(shí)復(fù)合材料的延伸率卻并不明顯下降.與基體2024Al合金相比，復(fù)合材料的維氏硬度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別提高了30.1%、35.7%和41.4%.隨著碳納米管的加入，復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù)(除延伸率外)都明顯提高，這說明碳納米管對(duì)2024Al基復(fù)合材料起到了較好的增強(qiáng)作用，然而兩種材料卻并未完全致密，這也是粉末冶金制備材料的缺點(diǎn)之一，進(jìn)一步地提高復(fù)合材料的致密度將采用后續(xù)的熱軋制方法.少量碳納米管的加入，可顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性，其強(qiáng)化機(jī)理可能有以下幾方面的原因:1)碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能［14］，復(fù)合材料在受拉伸時(shí)，一方面可以承受較大的應(yīng)力，不易斷裂，另一方面細(xì)小碳納米管在晶界處的彌散分布能阻礙裂紋長(zhǎng)大與擴(kuò)展;2)由于CNTs直徑只有幾十個(gè)納米，長(zhǎng)度約為幾個(gè)微米，因此，可以將 CNTs當(dāng)作細(xì)小粒子處理，利用CNTs作增強(qiáng)體，這種細(xì)小粒子可以起到彌散強(qiáng)化作用，能抑制基體晶粒的粗化與長(zhǎng)大，使基體晶粒細(xì)化，同時(shí)阻礙位錯(cuò)的遷移，使復(fù)合材料中位錯(cuò)密度增加［10］，提高復(fù)合材料的變形能力.

表1 復(fù)合材料和基體的力學(xué)性能對(duì)比研究

3 結(jié)論

1)采用濃HNO3回流處理能夠有效地除去碳納米管中的雜質(zhì)粒子并且均勻地分散碳納米管.

2)采用等靜壓、熱擠壓方法可成功地制備碳納米管增強(qiáng)2024Al基復(fù)合材料.

3)復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提高，與相同工藝制備下2024Al基體相比，1.0%CNTs/2024Al復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量分別增加了30.1%、35.7%和41.4%.

4)復(fù)合材料的拉伸斷口存在很多細(xì)小的韌窩，斷裂為延性斷裂，碳納米管與基體界面結(jié)合完好;復(fù)合材料的斷裂涉及碳納米管的拔出或拔斷以及碳納米管的橋接.

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Mechanical properties and fracture characterization of 2024Al composite reinforced with carbon nanotube

DENG Chun-feng1，MA Yan-xia1，XUE Xu-bin1，ZHANG Xue-xi2，WANG De-zun2
(1.Luoyang Ship Material Research Institute，Luoyan 471039，China，E-mail:cfdeng2000@163.com; 2.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

In order to investigate the effect of carbon nanotube(CNT)on the properties of Al matrix composite，2024Al matrix composite reinforced with 1.0 wt.%multi-wall carbon nanotubes(MWNTs)was fabricated by cold isostatic pressing and hot extrusion techniques.Mechanical properties of the composite were measured by a tensile test，and the microstructure was observed using FESEM.Results show that carbon nanotubes (CNTs)were dispersed uniformly in the matrix，the interfaces of the CNTs and the Al matrix bonded well，no reaction product of Al-C was generated during the fabrication of the composite.The fracture surfaces of the composite involved in a mass of tear-ridge and shallow dimple morphologies，as well as the bridging and pulling out/breakage of CNTs.The hardness，the Young's modulus and the tensile strength of the composite were enhanced markedly in relation to those of the matrix materials under the same process，respectively，meanwhile，the elongation of the composite was not decreased.It is concluded that the addition of CNT into the Al matrix composite can obviously improve its properties.

carbon nanotubes;Al matrix composite;fabrication;mechanical properties;fracture surfaces

TG151文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-0299(2010)02-0229-04

2008-01-29.

鄧春鋒(1979-)，男，工程師.

(編輯 呂雪梅)