碳纳米管铝基复合材料的组织及力学性能（冶金）

                       纪艳丽，李新涛，刘金炎，长海博文

                （苏州有色金属研究院有限公司，江苏苏州215026）

摘要：通过搅拌铸造的方式在纯铝中添加了碳纳米管( Carbon Nanotubes，CNTs)，并对所获得复合材料的组织和力学性能进行了表征。结果表明，在纯铝中添加碳纳米管后，可显著增加材料的屈服强度（提高18%）。对材料的加工硬化行为分析表明，添加碳纳米管能够提高材料的总初始加工硬化率，即碳纳米管对位错的运动有较强的阻碍作用，因此带来了材料性能的总体提升。

关键词：搅拌铸造；碳纳米管；铝基复合材料；力学性能

中图分类号：TC146. 21   文章编号：1007 - 7235（2016）01  - 0065  - 04

    铝基复合材料具有轻质高强、耐磨、耐腐蚀及低热膨胀系数等优点，因而被广泛应该用于航空航天及汽车制造等领域。铝基复合材料的发展与增强相的发展是紧密联系在一起的。碳纳米管( CarbonNanotubes，CNTs)可以看成是由二维石墨片层卷积而成的无缝中空管状结构，除了具有耐热、耐蚀、自润滑等特性外，还具有极高的长径比(可达20~1000)和超强的力学性能，高的电导率、热导率及低的热膨胀系数等，是复合材料的理想增强相。近些年来，碳纳米管在增强聚合物复合材料方面的应用取得了很大进展，而在金属基复合材料方面的应用进展不大，因为CNTs比表面积大，比表面能高，与金属基体的润湿性差，很难在金属基体中均匀分散。

    在CNTs/铝基复合材料的试制研究中，主要的制备方法有：粉末冶金法、熔体浸渍法、原位合成法、球磨混合法、大塑性变形等。而最简单、最经济的搅拌铸造法除在CNTs/镁合金中有较多应用外，在CNTs/铝基复合材料中的应用报道相对较少。本试验采用搅拌铸造法制备了CNTs/铝基复合材料，初步探讨碳纳米管的增强作用及对复合材料力学性能的影响，并讨论了CNTs的强化机制。

1  试验方法

1.1碳纳米管铝基复合材料的制备

    采用电阻坩埚炉将99.75%（质量分数）的工业纯铝加热熔化并保温至710℃，然后加入1.0%（质量分数）的镀镍碳纳米管（镀镍的目的是为增大碳纳米管在铝中的润湿性，碳纳米管的形貌见图1），放入自制电动搅拌器，搅拌熔体，搅拌器转速为500 r／min~1 000 r/min，搅拌时间5 min~10 min，然后静置，捞渣，浇铸。为确定碳纳米管对铝基体性能的影响，也采用同样方法制备了纯铝以及w(Ni)=1.0%的Al-Ni合金。

1.2测试方法

    根据GB/T 228 - 2010，将试验材料加工成函5mm圆棒试样，标距为25 mm。拉伸试验在CSS-44100型电子万能试验机上进行。采用JSM-6480扫描电镜观察CNTs在铝基体中的分布情况及拉伸试验后的断口形貌，电镜配置EDS能谱仪。

2  试验结果与分析

2.1试验材料的力学性能

    试验材料的拉伸性能如表1所示。比较三种不同材料的屈服强度，可以看出添加CNTs后，材料的屈服强度显著提高，与加入同样镍含量的Al-Ni合金相比屈服强度提高了18%，与纯铝相比提高了101%。一般认为CNTs对铝基体的强化主要通过以下几种方式实现：载荷转移、Oro wan机制以及热膨胀性能不一致等。对复合材料后续的加工硬化行为的分析表明，添加CNTs，可对材料拉伸过程中位错的增殖产生明显的作用，因此认为在本试验中CNTs对材料性能的提升可能来源于Oro wan机制。

2.2试验材料的加工硬化行为分析

    图2为试验材料的加工硬化率．流变应力曲线（即Kocks- Mec king plots），此曲线的线性部分与Y，轴的截距为总初始加工硬化率()。从图2可以看出，单独添加Ni或添加CNTs，可显著的提高材料的总初始加工硬化率。

    通常采用Kocks-Mecking-Estrin模型对材料的加工硬化行为进行分析：

    k一 由位错不可切割的阻碍物( non-shearable ob-stacles)带来的位错增殖速率（即几何必要位错一为保证位错不可切割阻碍物与基体协调变形，在阻碍物与基体界面处产生的位错geometrically necessarydislocations的增殖速率）；

    k₁一 由林位错( forest dislocations)所带来的位错增殖速率；

    k₂---动态回复率（即位错的湮灭速率）。

    当材料中不存在位错不可切割阻碍物时(如CNTs)，正比于k₁。Ko cks等人认为与材料成分及微观组织没有关系，为常数（在铝中，此值为1 200 N/mm²~ 1500 N/mm²）。但现有研究表明，与材料成分及微观组织相关。在铝合金中，增加合金元素含量，将增大，其机制为：增加元素含量，将增加位错增殖速率( Kocks-Mecking-Estrin模型中的k₁)；或者提高林位错核的强度，从而阻碍位错运动，造成初始加工硬化率的提高。因此在纯铝中添加Ni，可使材料的初始加工硬化率获得显著提高（如图2示）。

    当材料中存在位错不可切割的阻碍物时(如CNTs)，总初始加工硬化率是一个与林位错增殖速率k₁与几何必要位错增殖速率k相关的值，且随几何必要位错增殖速率增大，总初始加工硬化率也随之增大。这就解释了为何添加CNTs后，材料的总初始硬化率进一步获得提高。

    添加了CNTs的材料加工硬化行为分析进一步表明：CNTs与运动位错产生了阻碍作用，从而提高了材料的屈服强度以及总初始加工硬化率。

2.3复合材料的断口组织

    图3为CNTs复合材料拉伸断口处的SEM照片。图3表明，添加质量分数为1%碳纳米管时，复合材料的断口致密，无明显缺陷，呈韧性断裂特征的韧窝和撕裂棱（图3a），并且明显的观察到CNTs的存在（图3b），即表明通过搅拌铸造的方式，可在纯铝中添加CNTs，从而带来了材料性能的提升。

3  结  论

    通过搅拌铸造的方式在纯铝中添加了碳纳米管，并对所获得复合材料的组织和力学性能进行了表征。结果表明，在纯铝中添加碳纳米管后，可显著增加材料的屈服强度（提高18%）。采用Kocks-Mecking-Estrin模型对材料的加工硬化行分析表明，添加碳纳米管后，材料的初始总加工率获得较大提高。