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(yàn)工藝參數(shù)（攪拌頭的傾斜角度、旋轉(zhuǎn)速度和擠壓速度）對(duì)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(yàn)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(shí)，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?；蚶w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(huì)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(shí)復(fù)合材料界面容易受到污染，界面反應(yīng)嚴(yán)重。基于這種情況，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(yàn)材料及方法 試驗(yàn)材料采用T2紫銅試板，試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)性，在攪拌針部分帶有螺紋的圓周上均布了三個(gè)半徑為R2的半圓。 試驗(yàn)過程如下：用丙酮擦去試板表面污垢，對(duì)6mm厚的試板進(jìn)行鉆孔填增強(qiáng)相碳納米管，并壓實(shí)，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(yàn)臺(tái)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(duì)拋光后的試樣采用氯化鐵的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕510s。 3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 3.1 傾斜角度對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)制得的復(fù)合材料最好。分析認(rèn)為，由于試驗(yàn)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(dòng)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(huì)受到螺紋兩個(gè)力的作用，力的作用使得塑性金屬會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：一個(gè)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(dòng)；一個(gè)是攪拌頭旋轉(zhuǎn)并向前運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)。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(dòng)，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(dòng)；從而在復(fù)合區(qū)的上部出現(xiàn)瞬時(shí)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(dòng)。當(dāng)攪拌頭傾斜角度較小時(shí)，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(dòng)，而塑化金屬的圓周運(yùn)動(dòng)較小，因此復(fù)合區(qū)的上部產(chǎn)生的瞬時(shí)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(huì)較小，而隨著傾斜角度的增加，塑化金屬的圓周運(yùn)動(dòng)加劇，復(fù)合區(qū)上部區(qū)域的瞬時(shí)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(shí)，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(dòng)過大，導(dǎo)致塑化金屬在平行于螺紋方向的運(yùn)動(dòng)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(shí)空腔的填充，塑化金屬的流動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)性，CNTs在銅基體的流動(dòng)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)力變大，使得CNTs在銅基體中的流動(dòng)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(duì)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(dòng)所產(chǎn)生的空腔就會(huì)越大，這樣便會(huì)由于塑化金屬的無法及時(shí)填充而產(chǎn)生疏松和孔洞等缺陷。 3.3 擠壓速度對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，單位時(shí)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(dòng)性較好，在攪拌針后方由于塑性金屬的離心運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)制備的復(fù)合材料為最好。隨著擠壓速度的提高，單位時(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(yàn)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(shí)，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(xiàng)目、南昌航空大學(xué)科研基金（EC200701022）項(xiàng)目的資助。 參考文獻(xiàn) 1 中國材料工程大典編委會(huì).中國材料工程大典J. 化學(xué)工業(yè)出版社.2006. 2 張召,李宗全. 納米復(fù)合材料力學(xué)性能的研究J. 材料科學(xué)與工程,2001, 19(4):122126. 3 王淼. 納米材料應(yīng)用技術(shù)的新進(jìn)展J. 材料科學(xué)與工程, 2000, (6):103105. 4 Motta M S, Jena P K, Brocchi E A. 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