粉末冶金法制備納米碳管_鋁復(fù)合材料的力學(xué)性能

1、姜金龍1,2,趙少俊,楊華,李維學(xué)111(1.蘭州理工大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系,甘肅蘭州730050;21甘肅省有色金屬新材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050)摘要:采用粉末冶金法制備納米碳管鋁基復(fù)合材料,研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米碳管對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。通過X射線衍射儀(XRD)和掃描電鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料及其斷口進(jìn)行分析。結(jié)果表明,納米碳管能細(xì)化復(fù)合材料的晶粒組織,明顯提高復(fù)合材料的硬度和抗拉強(qiáng)度。含質(zhì)量2%納米碳管復(fù)合材料的硬度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到54HV和121180%和28%。復(fù)合材料的斷口形貌顯示,而理型脆性斷裂的混合特征。關(guān)鍵詞:納米碳管;粉末冶金;鋁基復(fù)合材料中圖分類號(hào):TB331

2、;TG14612:(2008)0320006204ofAlmatrixcompositesreinforcedcarbonnanotubespreparedbypowdermetallurgyJIANGJin2long1,2,ZHAOShao2jun,YANGHua,LIWei2xue111(11SchoolofScience,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;21StateKeyLaboratoryofGansuAdvancedNon2ferrousMetalMaterials,LanzhouUniversityofTechn

3、ology,Lanzhou730050,China)Abstract:CarbonnanotubeAlcompositeswerepreparedbypowdermetallurgymethod.Theinfluenceofcarbonnanotubes(CNTs)contentonmechanicalpropertiesofcompositeswasinvestigated.StructureandtensilefracturemorphologyofthecompositeswereanalyzedbyXRDandscanningelectronmicroscopy(SEM).Theres

4、ultsshowthatCNTscanrefinegrainsandincreaseVikershardnessandtensilestrengthofthecomposites.Thehardnessandtensilestrengthof2%CNTAlcompositereachapeakvalueof54HVand12115MPa,whichincreaseofabout80%and28%comparedwiththatofpurealuminium,respectively.Thefracturemodeofpurealuminumismicrovoidcoalescencefract

5、ure.However,themicrovoidcoalescencesandquasi2cleavagefracturemodeisobservedfor2%CNTAlcomposite.Keywords:carbonnanotubes;powder2metallurgy;Almatrixcomposites;mechanicalproperty纖維增強(qiáng)鋁基材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、高熱穩(wěn)定性和優(yōu)良耐磨損、易加工等優(yōu)點(diǎn)而在航空、航天及汽車制造等工業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。1991年Iijima.S發(fā)現(xiàn)納米碳管(CNTs)以來,大量研究表明,納米碳管楊氏模量值高達(dá)5TPa,比強(qiáng)度為5010GPa

6、3(mgm),約為鋼的100倍,同時(shí)具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定123性和良好的潤滑性能,成為理想的納米纖維材料。納米碳管鋁基復(fù)合材料由于表現(xiàn)出優(yōu)良的物理和力學(xué)性能,而成為納米纖維金屬基復(fù)合研究的熱點(diǎn)。K采用熱壓法制備體積分?jǐn)?shù)為5%10%的4CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,強(qiáng)度比鋁基體提高1倍,983K退火24h,鋁與碳管的界面未發(fā)現(xiàn)反5應(yīng);鐘蓉等人將電弧法制備的納米碳管提純后與納米Al粉混合,室溫下冷壓成型,260480真空熱壓,質(zhì)量含量為215%的碳管對(duì)納米Al基體的增強(qiáng)效果約為55%。由于粉末冶金法具有易成型、能耗低、納米碳管易均勻分布,適合規(guī)?；傻葍?yōu)點(diǎn),所以本文采用傳統(tǒng)“冷壓2燒結(jié)”工藝制備不同含量

7、的納米碳管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,研究納米碳管含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)行為的影響。收稿日期:2007206201;修訂日期:2007208221基金項(xiàng)目:甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3ZS0612A252039);蘭州理工大學(xué)科研發(fā)展基金資助項(xiàng)目(SB10200416),男,講師,碩士,主要從事復(fù)合材料及作者簡介:姜金龍(19771實(shí)驗(yàn)材料及方法111復(fù)合材料制備環(huán)境材料方向的研究,發(fā)表論文10余篇,電話:093122973780,E2mail:jinlong。采用陽極弧等離子體法制備納米碳管,將制備的納米碳管用分析純濃硝酸浸泡48h,過濾后在HF400預(yù)燒1h,隨后升溫至600保溫2h,隨爐冷卻至室溫。

8、復(fù)合材料試樣尺寸為60mm×10mm×2mm,含碳管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為015%、1%、2%及3%。112性能測(cè)試及表征在MH252VM型顯微硬度儀上施加1N的載荷,保持15s測(cè)量復(fù)合材料的顯微硬度。采用精度為011mg的TG328A型分析天平,根據(jù)阿基米德原理測(cè)定復(fù)合材料的密度。按照國標(biāo)GB228287規(guī)定WDW2300J拉伸強(qiáng)度,拉伸用ADVANCE型X射射(;withCuKradiation)表征復(fù)合材料。用掃描電子顯微電鏡(SEM)觀察復(fù)合材料的斷口形貌。Fig.2samples(a0=0140494nm)。這種現(xiàn)象是由于,復(fù)合材料燒結(jié)過程中Al基體和納米碳管熱膨脹系數(shù)不匹配

9、,復(fù)合材料由高溫冷卻至室溫時(shí),兩相收縮程度不同,在界面處會(huì)產(chǎn)生較大的熱7應(yīng)力,使鋁點(diǎn)陣發(fā)生畸變,引起衍射峰位偏移。由于納米碳管長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁晶格尺寸,納米碳管主要8分布在鋁晶粒的界面上或者三叉晶界上,能夠阻止9晶粒的迅速長大,從而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用,由于晶粒變小會(huì)引起衍射峰寬化。表1鋁的點(diǎn)陣常數(shù)Table1LatticeparameterofAlMillerplane(hkl)Latticeparametera/nm2結(jié)果和討論211復(fù)合材料XRD分析圖1是純鋁與含3%納米碳管的鋁基復(fù)合材料的X射線衍射譜,圖中僅發(fā)現(xiàn)鋁的衍射峰在2=26°6附近未出現(xiàn)納米碳管的衍射峰,這是由于納米碳管

10、含量少(<4%),納米碳管散射系數(shù)小,因此混入背底)較純鋁向中。從圖1可以看出,復(fù)合材料的峰位(2高角度偏移,同時(shí)衍射峰寬化。根據(jù)晶面間距與點(diǎn)陣常數(shù)之間的關(guān)系:dhkl=ah+k+l,計(jì)算得到鋁的點(diǎn)陣常數(shù)a。表1中列出利用不同晶面的晶面間距計(jì)算得到的點(diǎn)陣常數(shù)。結(jié)果表明復(fù)合材料的點(diǎn)陣(111)(200)(220)(311)01404790140439Al3%CNTAl014049401404950140477014026101403200140395212硬度與密度表2是不同含量納米碳管的復(fù)合材料密度和硬度?？梢钥闯?復(fù)合材料密度隨著納米碳管含量增加呈單調(diào)遞減的趨勢(shì)。因?yàn)榧{米碳管密度小于鋁

11、基體,且隨著納米碳管含量增加,材料的孔隙增多,所以復(fù)合材料密度減小。納米碳管質(zhì)量小于1%時(shí),均勻分散在Al基體中,起到了顯著的增強(qiáng)作用,使復(fù)合材料硬度隨碳管含量呈線性增加;當(dāng)納米碳管質(zhì)量在1%2%時(shí)易團(tuán)聚在Al晶界處,不能形成良好的界面結(jié)合,部分抵消了碳管含量增加對(duì)復(fù)合材料性能的提高,使復(fù)合材料硬度增加趨勢(shì)減小;當(dāng)納米碳管質(zhì)量大于2%時(shí),碳管團(tuán)聚嚴(yán)重、復(fù)合材料致密度降低等因素影響超過了納米碳管的增強(qiáng)效果,所以復(fù)合材料硬度迅速降低。納米碳管為2%的復(fù)合材料硬度比純鋁基體提高了約80%。圖1樣品的X射線衍射譜圖Fig.1XRDpatternsofsamples表2復(fù)合材料的密度和硬度9512401

12、9941650139414541093183810Relativedensity%9718HardnessHV29.9213拉伸性能圖2是純鋁和復(fù)合材料的拉伸曲線,結(jié)果如表3所示?？梢?含2%納米碳管的復(fù)合材料屈服強(qiáng)度012和最大拉伸強(qiáng)度b分別為7614MPa和12115MPa,比純鋁分別提高了4417%和2810%。納米碳管對(duì)硬度提高明顯優(yōu)于對(duì)拉伸強(qiáng)度的提高。這主要是因?yàn)?1)復(fù)合材料中,屬于弱界面結(jié)合,)拔出,表面光滑。(2),只有當(dāng)10納米碳管的取向沿應(yīng)力方向時(shí)才能發(fā)作用,當(dāng)應(yīng)力垂直于界面時(shí)復(fù)合材料承載力很小,納米碳管直接從基體中剝離出來,起不到顯著的增強(qiáng)作用。(3)納米碳管中含有的無定

13、型碳與鋁發(fā)生反應(yīng),生成了脆性11212(圖3(b),容易在反的片狀及針狀A(yù)l4C3化合物應(yīng)區(qū)域造成應(yīng)力集中,降低復(fù)合材料的強(qiáng)度。表3中顯示,隨著納米碳管含量的增加復(fù)合材料的伸長率迅速降低,拉伸曲線(圖2)顯示樣品從韌性斷裂的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?復(fù)合材料拉伸過程中出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)。圖4為金屬鋁和復(fù)合材料拉伸斷口的SEM形貌。從圖4(a)可以看出,純鋁的拉伸斷口有大而深的韌窩。觀察樣品斷口宏觀形貌,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)圖3復(fù)合材料中納米碳管的拔出和Al4C3的形貌Fig.3SEMmicrographsofpull2outofcarbonnanotubeandAl4C3表3復(fù)合材料的力學(xué)性能Table3Mecha

14、nicalpropertiesofthecompositeCompositeAl015%CNTsAl2%CNTsAlMPa012521874117614MPab94191121312115%1813418216生明顯頸縮,斷口銳利。所以,純鋁顯示出微孔聚集型韌性斷裂特征。圖4(b)是含2%納米碳管的復(fù)合圖4樣品拉伸斷口的SEM形貌Fig.4SEMmicrographsoftensilefracturesurface材料拉伸斷口SEM形貌,與純鋁斷口相比,韌窩的數(shù)量增多且變小變淺,同時(shí)斷口出現(xiàn)渦旋形解理臺(tái)階(圖4(c)。復(fù)合材料呈現(xiàn)微孔聚集型和解理型脆性斷裂的混合特征。復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度,2%

15、納米碳管的增強(qiáng)效果最佳,分別比鋁基體提高了約80%和28%。隨著納米碳管含量增加,復(fù)合材料韌性降低,伸長率迅速減小;2)純鋁的斷裂方式為微孔聚集型韌性斷裂,而2%CNTAl復(fù)合材料表現(xiàn)為微孔聚集型和解理型脆性斷裂的混合特征。3結(jié)論1)納米碳管細(xì)化復(fù)合材料的晶粒組織,明顯提高參考文獻(xiàn)1IijimaS.HelicalmicrotubesofgraphiticcarbonJ.Nature,1991,354:56-5812WongEW,SheehanPE,LieberCM.Nanobeammechanics:elasticity,strengthofScience,1997,277:1971-1975

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