攪拌摩擦加工法制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料工藝探索.docx

攪拌摩擦加工法制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料工藝探索摘 要：本文采用攪拌摩擦加工法制備了碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，研究了試驗工藝參數(shù)（攪拌頭的傾斜角度、旋轉(zhuǎn)速度和擠壓速度）對復(fù)合材料成形的影響。結(jié)果表明：在進(jìn)行單一變量試驗發(fā)現(xiàn)，在擠壓次數(shù)為3次，傾斜角度為3，旋轉(zhuǎn)速度為750r/min，擠壓速度為30mm/min時，復(fù)合材料的成形較好，碳納米管在復(fù)合材料中較均勻地分布，復(fù)合材料中無明顯的疏松和孔洞等缺陷出現(xiàn)。 前言 目前，銅及銅合金已成為第二大有色金屬，是全球經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中廣泛需求的基礎(chǔ)材料1。銅及銅合金由于具有機(jī)械性能良好、工藝性能優(yōu)良，易于、塑性加工等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是銅及銅合金具有優(yōu)越的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，因此銅及銅合金被廣泛地應(yīng)用于電子、電器等工業(yè)領(lǐng)域。但是，銅在室溫強(qiáng)度、高溫性能以及磨損性能等諸多方面的不足限制了其更加廣泛的應(yīng)用，雖然銅合金在力學(xué)性能上有了一定的提高，但是隨著合金化程度的提高，銅合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能有了比較明顯的降低。因此，研制和開發(fā)具有高強(qiáng)高導(dǎo)性能的銅基復(fù)合材料是近年來科研工作者研究的熱門方向。 納米相增強(qiáng)銅基復(fù)合材料是近年來發(fā)展起來的一種工業(yè)新型材料2，是由納米相均勻地分散在銅或銅合金基體中而形成的。由于納米分散相具有大的表面積和強(qiáng)的界面相互作用，納米相增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表現(xiàn)出不同于一般顆粒或纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性能, 其比強(qiáng)度、比模量、耐磨性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能等均有大幅度的提高，是一種全新的高技術(shù)新材料，具有廣闊的商業(yè)開發(fā)和應(yīng)用前景3。 目前，國內(nèi)外學(xué)者主要采用原位反應(yīng)合成法4、內(nèi)氧化法5、大塑性變形法6、機(jī)械合金化法7和粉末冶金法8 來制備納米相增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，但由于原位反應(yīng)合成法制備工藝成本高, 不適于規(guī)?；a(chǎn)9；內(nèi)氧化工藝容易造成組織缺陷；大塑性變形工藝會使粒度分布不均勻；機(jī)械合金化工藝粒徑分布寬，易混入雜質(zhì)；粉末冶金法生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高，生產(chǎn)效率低, 同時復(fù)合材料界面容易受到污染，界面反應(yīng)嚴(yán)重?；谶@種情況，本文采用了攪拌摩擦加工法制備了碳納米管（Carbon Nano-tubes，CNTs）增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，由于攪拌摩擦加工法特有的無污染、可重復(fù)性強(qiáng)、低能耗、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，且攪拌摩擦加工具有的過程可控性能夠滿足各種加工要求的復(fù)合材料的制備，在未來的復(fù)合材料加工制備研究中將具有十分重要的地位。 2試驗材料及方法 試驗材料采用T2紫銅試板，試驗選用了兩種規(guī)格尺寸的試板，分別為150mm60mm6mm和150mm60mm 2mm。納米增強(qiáng)相為多壁碳納米管, 直徑為1020nm，長度為515m，純度大于98%。 試驗采用自制的攪拌摩擦加工設(shè)備，選用攪拌頭如圖1所示：攪拌針直徑為12mm，攪拌針長度為5mm，軸肩直徑為25mm，攪拌針螺紋為左旋，為提高制備復(fù)合材料過程中金屬的流動性，在攪拌針部分帶有螺紋的圓周上均布了三個半徑為R2的半圓。 試驗過程如下：用丙酮擦去試板表面污垢，對6mm厚的試板進(jìn)行鉆孔填增強(qiáng)相碳納米管，并壓實，為了防止在制備過程中碳納米管的溢出，將已添加碳納米管的6mm厚的銅板以盲孔法向相反的方向疊加在一塊2mm厚的銅墊板上，裝夾固定在攪拌摩擦加工設(shè)備的試驗臺上進(jìn)行往返擠壓制備復(fù)合材料，攪拌摩擦加工過程示意圖如圖2所示。 采用攪拌摩擦加工法制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的工藝參數(shù)見附表，復(fù)合后截取試樣的橫截面用不同的砂紙打磨，拋光。對拋光后的試樣采用氯化鐵的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕510s。 3 試驗結(jié)果與分析 3.1 傾斜角度對復(fù)合材料成形的影響 圖3為在旋轉(zhuǎn)速度為750r/min，擠壓速度為30mm/min，擠壓次數(shù)為3次時不同傾斜角度下復(fù)合材料的橫截面形貌圖。由圖3（a）可知在傾斜角度為1時在復(fù)合材料的中上部出現(xiàn)了比較明顯的隧道孔和孔洞缺陷，而且CNTs 在銅基體中分布極不均勻，出現(xiàn)了大面積的CNTs團(tuán)聚區(qū)，復(fù)合區(qū)的寬度較小。從圖3（b）和（c）可以看出隨著傾斜角度的增加，復(fù)合材料中的隧道孔和孔洞缺陷逐漸消失，復(fù)合區(qū)的寬度也趨于增加，CNTs在銅基體中的分布趨于均勻化，并且在圖3（c）中基本上出現(xiàn)沒有明顯的CNTs團(tuán)聚，復(fù)合區(qū)的成形也較好。由圖3（d）可知隨著傾斜角度進(jìn)一步加大，雖然CNTs的分布寬度有增大的趨勢，但是復(fù)合區(qū)成形較差，復(fù)合材料開始出現(xiàn)疏松、孔洞等缺陷，CNTs在銅基體中的均勻性也較差，出現(xiàn)了明顯的CNTs團(tuán)聚的傾向。 因此，可以看出在其他工藝參數(shù)不變的情況下，當(dāng)傾斜角度為3時制得的復(fù)合材料最好。分析認(rèn)為，由于試驗選用的攪拌頭為左螺紋，根據(jù)柯黎明等10提出的金屬塑性流動的“抽吸-擠壓”理論，在制備復(fù)合材料過程中，攪拌針周圍的塑化金屬會受到螺紋兩個力的作用，力的作用使得塑性金屬會產(chǎn)生兩個方向的運(yùn)動：一個是螺紋與塑化金屬之間摩擦產(chǎn)生的摩擦力，摩擦力作用使得塑化金屬產(chǎn)生圓周運(yùn)動；一個是攪拌頭旋轉(zhuǎn)并向前運(yùn)動時產(chǎn)生的垂直于螺紋表面的壓力，壓力作用使得塑化金屬向下運(yùn)動。在螺紋的綜合合力作用下，使攪拌頭周圍的塑化金屬呈現(xiàn)向下的螺旋運(yùn)動，其結(jié)果使攪拌針周圍的塑化金屬向下遷移，但在復(fù)合區(qū)的底層，塑化金屬受底板的阻礙而向周邊流動；從而在復(fù)合區(qū)的上部出現(xiàn)瞬時的低壓區(qū)或空腔，而在復(fù)合區(qū)的下部局部區(qū)域形成較大的壓力擠壓復(fù)合區(qū)外圍的金屬，導(dǎo)致外圍金屬受下部金屬的高壓區(qū)和上部金屬低壓區(qū)的壓力差作用向上運(yùn)動。當(dāng)攪拌頭傾斜角度較小時，攪拌針的旋轉(zhuǎn)近乎在同一水平面上，螺紋與塑化金屬的摩擦力較小，主要表現(xiàn)為垂直于螺紋表面的壓力，因此，塑化金屬主要表現(xiàn)為向下運(yùn)動，而塑化金屬的圓周運(yùn)動較小，因此復(fù)合區(qū)的上部產(chǎn)生的瞬時空腔得不到沿著螺紋圓周方向塑化金屬的充分補(bǔ)給而容易形成隧道孔、孔洞等缺陷，復(fù)合區(qū)的寬度也會較小，而隨著傾斜角度的增加，塑化金屬的圓周運(yùn)動加劇，復(fù)合區(qū)上部區(qū)域的瞬時空腔能得到充分補(bǔ)給，因此復(fù)合材料的成形逐漸變好，當(dāng)傾斜角度為3時，復(fù)合區(qū)成形已較好，并且沒有明顯的缺陷產(chǎn)生，而隨著傾斜角度的繼續(xù)增加，塑化金屬的圓周運(yùn)動過大，導(dǎo)致塑化金屬在平行于螺紋方向的運(yùn)動加大，復(fù)合區(qū)的寬度也趨于增大，導(dǎo)致塑化金屬的擠壓作用減小，反而不利于復(fù)合區(qū)上部瞬時空腔的填充，塑化金屬的流動紊亂, 導(dǎo)致復(fù)合區(qū)的成形較差，開始形成疏松、孔洞等缺陷。 3.2 旋轉(zhuǎn)速度對復(fù)合材料成形的影響 圖4為在傾斜角度為3，擠壓速度為30mm/min，擠壓次數(shù)為3次時不同旋轉(zhuǎn)速度下復(fù)合材料的橫截面形貌圖。由圖4（a）可以看出在旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時，CNTs在銅基體中的分布均勻性較差，出現(xiàn)了明顯的CNTs的團(tuán)聚現(xiàn)象，CNTs在復(fù)合區(qū)的右端分布較多，而且復(fù)合區(qū)的面積較小。從圖4（b）（d）可以看出隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加, CNTs在銅基體中的分布均勻性顯著提高，在旋轉(zhuǎn)速度為950r/min和1180r/min 時，CNTs在銅基體中的均勻性較好，CNTs的團(tuán)聚現(xiàn)象得到了明顯改善，但復(fù)合區(qū)局部開始出現(xiàn)疏松、孔洞等缺陷。而在旋轉(zhuǎn)速度為750 r/min時，復(fù)合區(qū)CNTs在銅基體中的均勻性相比旋轉(zhuǎn)速度為600r/min時有了很大的提高，復(fù)合區(qū)也沒有明顯的疏松和孔洞等缺陷產(chǎn)生，因此，可以看出在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為750r/min時制得的復(fù)合材料最好。 分析認(rèn)為，當(dāng)其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度由600 r/min提高到1180r/min，一方面在攪拌摩擦加工過程中攪拌頭單位時間里與銅基體的接觸增加，復(fù)合區(qū)塑化金屬與攪拌頭摩擦產(chǎn)熱增多，加速了CNTs 在銅基體的流動性，CNTs在銅基體的流動越充分，因此CNTs在銅基體中能較均勻地分散開來；另一方面隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增大，產(chǎn)生塑化金屬流動的驅(qū)動力變大，使得CNTs在銅基體中的流動性提高，CNTs在銅基體的分散均勻性顯著提高。因此，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的提高，CNTs在銅基體的分布趨于更均勻化。然而對于制備復(fù)合材料來說，并不是攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度越高越好，如果旋轉(zhuǎn)速度過高，攪拌針后方由于塑性金屬的離心運(yùn)動所產(chǎn)生的空腔就會越大，這樣便會由于塑化金屬的無法及時填充而產(chǎn)生疏松和孔洞等缺陷。 3.3 擠壓速度對復(fù)合材料成形的影響 圖5為在傾斜角度為3，旋轉(zhuǎn)速度為750r/min，擠壓次數(shù)為3次時不同擠壓速度下復(fù)合材料的橫截面形貌圖。圖5（a）中雖然復(fù)合材料的復(fù)合區(qū)面積較大，但復(fù)合區(qū)的上部分成形較差, CNTs在復(fù)合區(qū)的軸肩影響區(qū)的分布明顯較少，CNTs在復(fù)合區(qū)的分布均勻性也較差，隨著擠壓速度的增加，在擠壓速度為30mm/m時如圖5（b）所示, 復(fù)合材料的成形較好，沒有出現(xiàn)明顯的CNTs團(tuán)聚現(xiàn)象，CNTs在銅基體中的均勻性也較好，而隨著擠壓速度的繼續(xù)增加，在擠壓速度為37.5mm/min和47.5mm/min時，開始出現(xiàn)比較明顯的CNTs在銅基體的團(tuán)聚現(xiàn)象，CNTs在銅基體中的均勻性逐漸下降，而且復(fù)合區(qū)中已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的疏松和孔洞等缺陷。 分析認(rèn)為，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，擠壓速度較小時，單位時間內(nèi)單位體積的銅基體與攪拌頭的接觸增加，致使復(fù)合區(qū)的產(chǎn)熱增多，塑性金屬的流動性較好，在攪拌針后方由于塑性金屬的離心運(yùn)動所產(chǎn)生的空腔能夠得到塑化金屬充分的填充，因此，擠壓速度較小時，幾乎沒有疏松和孔洞缺陷的產(chǎn)生，但是當(dāng)擠壓速度過低時，攪拌頭軸肩與銅基體的摩擦產(chǎn)熱要明顯高于攪拌針與銅基體的摩擦產(chǎn)熱，使得復(fù)合區(qū)上下部分產(chǎn)生了至上而下的熱量紊流，熱量的紊流使得CNTs更多地被分布于復(fù)合區(qū)的中下方，在軸肩影響區(qū)分布較小，因此，在擠壓速度為23.5mm/min時復(fù)合材料的成形較差，CNTs的分布均勻性也較差，在擠壓速度為30mm/min時制備的復(fù)合材料為最好。隨著擠壓速度的提高，單位時間內(nèi)單位體積的銅基體與攪拌頭的接觸減小，復(fù)合區(qū)由于產(chǎn)熱不足導(dǎo)致塑性金屬的流動變差，CNTs 在銅基體中得不到充分的分散，因此復(fù)合區(qū)中CNTs在銅基體中的均勻性逐漸變差，而且擠壓速度過快使得攪拌針后方由于塑性金屬的離心運(yùn)動所產(chǎn)生的空腔得不到充分的填充，而容易產(chǎn)生疏松、孔洞等缺陷。 4 結(jié)束語 在攪拌摩擦加工法制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料中，制備過程中所采用的工藝參數(shù)（攪拌頭的傾斜角度、旋轉(zhuǎn)速度和擠壓速度）對復(fù)合材料的成形以及CNTs在復(fù)合材料中分散均勻性有較大的影響，在進(jìn)行單一變量試驗結(jié)果表明，在擠壓次數(shù)為3次，傾斜角度為3，旋轉(zhuǎn)速度為750r/min，擠壓速度為30mm/min時，制得復(fù)合材料的成形較好，CNTs在復(fù)合材料中較均勻地分布，復(fù)合材料中無明顯的疏松和孔洞等缺陷出現(xiàn)。 致謝：本論文獲得了國家自然科學(xué)基金（50674056）項目、南昌航空大學(xué)科研基金（EC200701022）項目的資助。 參考文獻(xiàn) 1 中國材料工程大典編委會.中國材料工程大典J. 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