鋁基復(fù)合材料的制備和性能研究

1、碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的制備及性能研究納米相增強鋁基復(fù)合材料是近年迅速發(fā)展起來的一種新型材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的理化和力學(xué)性能。碳納米管力學(xué)性能的理論和實驗研究表明碳納米管的韌性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有極小的尺度及優(yōu)異的力學(xué)性能，是理想的一維納米增強、增韌材料。本文通過對無壓滲透條件的探索，克服了碳納米管與熔融鋁不浸潤性的障礙，實現(xiàn)了充分滲透，使碳納米管在鋁基體中分布均勻，與鋁基體結(jié)合良好，同時對碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)、維氏硬度及摩擦磨損性能進行了研究。一 設(shè)計與研究內(nèi)容本實驗采用無壓滲透法制備了碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，并對其摩擦性能進行了研究。利用掃描電鏡觀察了復(fù)合材料斷面的形貌，通過復(fù)合

2、材料硬度測量和摩擦磨損實驗，研究了不同碳納米管體積分數(shù)對復(fù)合材料的硬度及摩擦磨損性能的影響。同時根據(jù)碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的特點，對材料的性能指標進行了預(yù)測。二 選擇基體和增強體材料的理由基體：鋁1、低密度：鋁基復(fù)合材料的密度一般在2.8左右，基本上與一般鋁合金相當；2、高的比強度（強度/密度）：顆粒增強的鋁基復(fù)合材料，其強度在400700Mpa，與一般結(jié)構(gòu)鋼相當；3、高的比剛度（剛度/密度）：顆粒增強的鋁及鋁合金基復(fù)合材料彈性模量E約為80140Gpa，其比剛度（E/P）比一般鋁合金高約60%，是鋼鐵材料的1.52倍；4、優(yōu)良的高溫性能及高的抗大氣腐蝕能力：一般鋁合金（如硬鋁超硬鋁）的強度

3、對溫度較為敏感，而鋁基復(fù)合材料的強度在高于300時才呈快速下降趨勢，300時短時拉伸強度仍有400Mpa以上。由于此材料的基體為鋁及鋁合金，故其抗大氣腐蝕能力好；5、高的耐磨性：高的耐磨性是此材料顯著的特點之一，在濕摩擦（有潤滑）條件下呈現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性。增強體材料：碳納米管1.碳納米管的韌性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有極小的尺度及優(yōu)異的力學(xué)性能，是理想的一維納米增強、增韌材料；2.碳納米管均勻地分散于復(fù)合材料中，且與鋁基體結(jié)合良好；3.碳納米管的加入增大了復(fù)合材料的硬度，且其摩擦系數(shù)和磨損率隨著碳納米管體積分數(shù)的增大而減小。由于碳納米管本身具有自潤滑和增強作用，碳納米管的加入極大地改善了鋁合金材料的摩

4、擦性能。三材料制備方法與摩擦性能研究- 1 -制備碳納米管增強金屬基復(fù)合材料首先應(yīng)該考慮的問題是如何使碳納米管在金屬基體中很好地分散，且與基體很好地結(jié)合。目前通常采用的方法主要有：熱壓法、真空吸鑄法、粉末冶金燒結(jié)法、半固態(tài)鑄造法以及利用涂敷或表面沉積改善潤濕性的方法，但各有其局限性。本文應(yīng)用無壓滲透方法制備了碳納米管增強鋁基復(fù)合材料。無壓滲透是指熔體在無外力作用下，借助浸潤導(dǎo)致的毛細管壓力滲入顆粒多孔預(yù)制件，形成復(fù)合材料的工藝，與其他復(fù)合工藝相比，無壓滲透具有工藝簡單、對設(shè)備的要求低、所制備的材料致密度高、可以近乎終成型等優(yōu)點。1.多壁碳納米管的制備碳納米管的制備采用催化熱分解法。乙炔作為碳源

5、，鈷作為催化劑，生成的碳納米管粗產(chǎn)物經(jīng)過濃硝酸浸泡、氫氟酸浸泡、過濾和烘干后，獲得高純度碳納米管,用透射電鏡進行觀察。主要目的：制備高純度的碳納米管，用來與鋁基體結(jié)合。2.碳納米管鋁基復(fù)合材料的制備與摩擦磨損實驗將碳納米管、鋁粉和鎂粉按照如表1所示比例在不銹鋼罐中氬氣保護下球磨共混7h取少量球磨后的粉末經(jīng)過濃硝酸浸泡除去鋁粉和鎂粉并經(jīng)清洗后，用透射電鏡觀察球磨后的碳納米管形貌。余下的粉末模壓成直徑為70mm厚度為15mm的預(yù)制件放入不銹鋼坩堝中,將牌號為LY12的鋁合金置于預(yù)制件上方。然后將它們一同置入管式爐中，在氮氣氣氛下加熱到800攝氏度并保溫5h隨爐冷卻至室溫后取出,即為制備好的碳納米管

6、增強鋁基復(fù)合材料。作為對比，在氬氣氣氛下也進行了相同的制備實驗。圖1為實驗裝置及布置圖。- 2 -通過場發(fā)射掃描電鏡觀察了復(fù)合材料斷面處碳納米管在鋁基體中的分布以及與鋁基體的結(jié)合情況，并測量了碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的維氏硬度。在MMW-1銷盤式摩擦磨損試驗機上進行了摩擦磨損試驗。銷試樣為標準件，其材料為調(diào)質(zhì)過的中碳鋼（硬度為HB220）盤試樣(直徑為20mm,厚度為10mm)由碳納米管增強鋁基復(fù)合材料線切割而成,其表面經(jīng)拋光和丙酮清洗。摩擦磨損實驗條件為：干摩擦相對滑動速度為0.157m/s，法向載荷為30N。待磨損達到穩(wěn)態(tài)后測量平均摩擦系數(shù)和磨損失重，并以單位滑動距離的磨損失重作為磨損率。

7、主要目的：使碳納米管在鋁基體中均勻分布制備碳納米管增強鋁基復(fù)合材料，并測試該材料的摩擦性能。四材料結(jié)構(gòu)和性能特點分析1.碳納米管形貌圖2（a）為純化后的碳納米管透射電鏡照片,其長徑比為100-1000,且易團聚。球磨7h后的碳納米管明顯變短，且分散性提高，如圖2（b）所示。碳納米管切短后有利于在金屬基體中很好地分散。- 3 -2.碳納米管鋁基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)分析和硬度圖5為碳納米管鋁基復(fù)合材料的硬度隨復(fù)合材料中碳納米管體積分數(shù)的變化曲線。當碳納米管體積分數(shù)小于10%時，復(fù)合材料的硬度隨著碳納米管體積分數(shù)的增加而顯著提高。這是由于當碳納米管體積分數(shù)較低時，復(fù)合材料中的碳納米管增強效果更為顯著，使

8、復(fù)合材料的硬度明顯增高。當碳納米管體積分數(shù)達到15%時，復(fù)合材料的孔隙率上升，同時復(fù)合材料中碳納米管出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，復(fù)合材料的硬度增加趨緩而達到最大值。當碳納米管體積分數(shù)大于15%后，孔隙率上升及碳納米管團聚對復(fù)合材料硬度的影響超過碳納米管的增強效果，復(fù)合材料的硬度開始下降。由圖6斷口掃描電鏡形貌照片可以看出，碳納米管的直徑比圖2中要大一些，這可能是由于其外被金屬包覆所致。另外，碳納米管分布均勻，彼此黏連較少，斷口處存在碳納米管的拔出與橋接，復(fù)合材料的斷裂以纖維拔出為主。綜上所述，當碳納米管體積分數(shù)較低時，復(fù)合材料的硬度隨著碳納米管體積分數(shù)的增大而提高；而當其體積分數(shù)大于15%后，復(fù)合材料的硬度

9、反而下降。- 4 -3.碳納米管鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損性能圖7為在30N載荷下穩(wěn)態(tài)磨損條件下,上述碳納米管鋁基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨碳納米管體積分數(shù)的變化曲線。從圖7可以看出，隨著碳納米管體積分數(shù)的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)逐漸降低。這是因為隨著碳納米管體積分數(shù)的增加，摩擦接觸面上的碳納米管逐漸增多，減少了金屬基體與銷子直接接觸的幾率，由于碳納米管具有良好的自潤滑作用，導(dǎo)致復(fù)合材料的摩擦系數(shù)下降。從圖7還可以看出，隨著碳納米管體積分數(shù)的增加，復(fù)合材料的磨損率也在下降。這是因為當碳納米管體積分數(shù)較小時，磨損表面的碳納米管數(shù)量較少，碳納米管對基體鋁氧化的抑制作用較弱，氧化磨損較強，同時碳納米管

10、的增強效果小，復(fù)合材料磨損表面變形大，磨粒磨損較強；隨碳納米管體積分數(shù)的增加，摩擦剝落的碳納米管的數(shù)量逐漸增加，其對磨損表面的覆蓋程度增大，碳納米管對基體鋁氧化的抑制作用增強，因而減少了氧化磨損，同時碳納米管的增強效果更加明顯，復(fù)合材料磨損表面變形較小，磨粒磨損也隨之減少。因此，由于碳納米管的自潤滑和增強作用，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨著碳納米管體積分數(shù)的增大而減小。五材料性能指標預(yù)測由于碳納米管的獨特結(jié)構(gòu)與其超強力學(xué)性能，用它對鋁基復(fù)合材料改性處理，理論預(yù)測可解決碳纖維增強鋁基復(fù)合材料中存在的三大問題：1.由于碳納米管管徑為納米級，其晶格缺陷比碳纖維小得多且其強度大大提高；2.由于碳納米管長徑比可達103，而長度可小到微米級甚至幾百個納米，其復(fù) 合材料的各向異性會有極大的改善；3.由于碳納米管直徑小，表面積大，表面活性高，其與金屬基體間濕潤性比碳纖維好，且高溫穩(wěn)定，不易與基體金屬反應(yīng)形成脆性界面