粉末冶金法制备纳米碳管_铝复合材料的力学性能

1、姜金龙1,2,赵少俊,杨华,李维学111(1.兰州理工大学理学院应用物理系,甘肃兰州730050;21甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃兰州730050)摘要:采用粉末冶金法制备纳米碳管铝基复合材料,研究不同质量分数纳米碳管对复合材料力学性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对复合材料及其断口进行分析。结果表明,纳米碳管能细化复合材料的晶粒组织,明显提高复合材料的硬度和抗拉强度。含质量2%纳米碳管复合材料的硬度和抗拉强度达到54HV和121180%和28%。复合材料的断口形貌显示,而理型脆性断裂的混合特征。关键词:纳米碳管;粉末冶金;铝基复合材料中图分类号: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纤维增强铝基材料具有高比强度、高比模量、高热稳定性和优良耐磨损、易加工等优点而在航空、航天及汽车制造等工业具有广泛的应用前景。1991年Iijima.S发现纳米碳管(CNTs)以来,大量研究表明,纳米碳管杨氏模量值高达5TPa,比强度为5010GPa

6、3(mgm),约为钢的100倍,同时具有优良的热稳定123性和良好的润滑性能,成为理想的纳米纤维材料。纳米碳管铝基复合材料由于表现出优良的物理和力学性能,而成为纳米纤维金属基复合研究的热点。K采用热压法制备体积分数为5%10%的4CNTs增强铝基复合材料,强度比铝基体提高1倍,983K退火24h,铝与碳管的界面未发现反5应;钟蓉等人将电弧法制备的纳米碳管提纯后与纳米Al粉混合,室温下冷压成型,260480真空热压,质量含量为215%的碳管对纳米Al基体的增强效果约为55%。由于粉末冶金法具有易成型、能耗低、纳米碳管易均匀分布,适合规模化生成等优点,所以本文采用传统“冷压2烧结”工艺制备不同含量

7、的纳米碳管增强铝基复合材料,研究纳米碳管含量对复合材料力学行为的影响。收稿日期:2007206201;修订日期:2007208221基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS0612A252039);兰州理工大学科研发展基金资助项目(SB10200416),男,讲师,硕士,主要从事复合材料及作者简介:姜金龙(19771实验材料及方法111复合材料制备环境材料方向的研究,发表论文10余篇,电话:093122973780,E2mail:jinlong。采用阳极弧等离子体法制备纳米碳管,将制备的纳米碳管用分析纯浓硝酸浸泡48h,过滤后在HF400预烧1h,随后升温至600保温2h,随炉冷却至室温。

8、复合材料试样尺寸为60mm×10mm×2mm,含碳管质量分数为015%、1%、2%及3%。112性能测试及表征在MH252VM型显微硬度仪上施加1N的载荷,保持15s测量复合材料的显微硬度。采用精度为011mg的TG328A型分析天平,根据阿基米德原理测定复合材料的密度。按照国标GB228287规定WDW2300J拉伸强度,拉伸用ADVANCE型X射射(;withCuKradiation)表征复合材料。用扫描电子显微电镜(SEM)观察复合材料的断口形貌。Fig.2samples(a0=0140494nm)。这种现象是由于,复合材料烧结过程中Al基体和纳米碳管热膨胀系数不匹配

9、,复合材料由高温冷却至室温时,两相收缩程度不同,在界面处会产生较大的热7应力,使铝点阵发生畸变,引起衍射峰位偏移。由于纳米碳管长度远远大于铝晶格尺寸,纳米碳管主要8分布在铝晶粒的界面上或者三叉晶界上,能够阻止9晶粒的迅速长大,从而达到细化晶粒的作用,由于晶粒变小会引起衍射峰宽化。表1铝的点阵常数Table1LatticeparameterofAlMillerplane(hkl)Latticeparametera/nm2结果和讨论211复合材料XRD分析图1是纯铝与含3%纳米碳管的铝基复合材料的X射线衍射谱,图中仅发现铝的衍射峰在2=26°6附近未出现纳米碳管的衍射峰,这是由于纳米碳管

10、含量少(<4%),纳米碳管散射系数小,因此混入背底)较纯铝向中。从图1可以看出,复合材料的峰位(2高角度偏移,同时衍射峰宽化。根据晶面间距与点阵常数之间的关系:dhkl=ah+k+l,计算得到铝的点阵常数a。表1中列出利用不同晶面的晶面间距计算得到的点阵常数。结果表明复合材料的点阵(111)(200)(220)(311)01404790140439Al3%CNTAl014049401404950140477014026101403200140395212硬度与密度表2是不同含量纳米碳管的复合材料密度和硬度。可以看出,复合材料密度随着纳米碳管含量增加呈单调递减的趋势。因为纳米碳管密度小于铝

11、基体,且随着纳米碳管含量增加,材料的孔隙增多,所以复合材料密度减小。纳米碳管质量小于1%时,均匀分散在Al基体中,起到了显著的增强作用,使复合材料硬度随碳管含量呈线性增加;当纳米碳管质量在1%2%时易团聚在Al晶界处,不能形成良好的界面结合,部分抵消了碳管含量增加对复合材料性能的提高,使复合材料硬度增加趋势减小;当纳米碳管质量大于2%时,碳管团聚严重、复合材料致密度降低等因素影响超过了纳米碳管的增强效果,所以复合材料硬度迅速降低。纳米碳管为2%的复合材料硬度比纯铝基体提高了约80%。图1样品的X射线衍射谱图Fig.1XRDpatternsofsamples表2复合材料的密度和硬度9512401

12、9941650139414541093183810Relativedensity%9718HardnessHV29.9213拉伸性能图2是纯铝和复合材料的拉伸曲线,结果如表3所示。可见,含2%纳米碳管的复合材料屈服强度012和最大拉伸强度b分别为7614MPa和12115MPa,比纯铝分别提高了4417%和2810%。纳米碳管对硬度提高明显优于对拉伸强度的提高。这主要是因为(1)复合材料中,属于弱界面结合,)拔出,表面光滑。(2),只有当10纳米碳管的取向沿应力方向时才能发作用,当应力垂直于界面时复合材料承载力很小,纳米碳管直接从基体中剥离出来,起不到显著的增强作用。(3)纳米碳管中含有的无定

13、型碳与铝发生反应,生成了脆性11212(图3(b),容易在反的片状及针状Al4C3化合物应区域造成应力集中,降低复合材料的强度。表3中显示,随着纳米碳管含量的增加复合材料的伸长率迅速降低,拉伸曲线(图2)显示样品从韧性断裂的方式转变为脆性断裂,复合材料拉伸过程中出现明显的屈服点。图4为金属铝和复合材料拉伸断口的SEM形貌。从图4(a)可以看出,纯铝的拉伸断口有大而深的韧窝。观察样品断口宏观形貌,发现产图3复合材料中纳米碳管的拔出和Al4C3的形貌Fig.3SEMmicrographsofpull2outofcarbonnanotubeandAl4C3表3复合材料的力学性能Table3Mecha

14、nicalpropertiesofthecompositeCompositeAl015%CNTsAl2%CNTsAlMPa012521874117614MPab94191121312115%1813418216生明显颈缩,断口锐利。所以,纯铝显示出微孔聚集型韧性断裂特征。图4(b)是含2%纳米碳管的复合图4样品拉伸断口的SEM形貌Fig.4SEMmicrographsoftensilefracturesurface材料拉伸断口SEM形貌,与纯铝断口相比,韧窝的数量增多且变小变浅,同时断口出现涡旋形解理台阶(图4(c)。复合材料呈现微孔聚集型和解理型脆性断裂的混合特征。复合材料的硬度和强度,2%

15、纳米碳管的增强效果最佳,分别比铝基体提高了约80%和28%。随着纳米碳管含量增加,复合材料韧性降低,伸长率迅速减小;2)纯铝的断裂方式为微孔聚集型韧性断裂,而2%CNTAl复合材料表现为微孔聚集型和解理型脆性断裂的混合特征。3结论1)纳米碳管细化复合材料的晶粒组织,明显提高参考文献1IijimaS.HelicalmicrotubesofgraphiticcarbonJ.Nature,1991,354:56-5812WongEW,SheehanPE,LieberCM.Nanobeammechanics:elasticity,strengthofScience,1997,277:1971-1975

16、.3TreacyMJ,EbbesenTW,GivsonJM.YoungsmnanotubesJ.Natutre,1996,381:678-68014KuzumakiT,MiyzaWaW,aluminumcompositesJ.JMaterRes,1998,13(9):2445-2449.5丛洪涛,钟蓉,.J.材料研究学报,2003,17(2):132-1371CONGHong2tao,R,NGHui2ming,etal.ReinforcingeffectsofSWNTsassociatewithnano2AlbaseJ.ChineseJournalofMaterialsResearch,200

17、3,17(2):132-137.6许龙山,陈小华,吴玉蓉,等.碳纳米管铜基复合材料的制备J.中国有色金属学报,2006,16(3):406-411.XULong2shan,CHENXiao2hua,WUYu2rong,etal.PreparationofCNTsCucompositeJ.TheChineseJournalofNonferrousMetals,2006,16(3):406-411.7邹祖讳,编著,吴人洁,译.复合材料的结构与性能M.北京:科学出版社,1999:229-23218刘白,邓福铭,曲敬信.碳纳米管增强铝基复合材料的设计与研究J.兵器材料科学与工程,2003,26(6):

18、54-571LIUBai,DENGFu2ming,QUJing2xin.DesignandresearchofcarbonnanotubesreinforcedaluminummatrixcompositeJ.OrdnanceMaterialsScienceandEngineering,2003,26(6):54-5719李四年,宋守志,余天庆,等.铸造法制备纳米碳管增强镁基复合材料的力学性能研究J.铸造,2004,53(3):190-1931LISi2nian,SONGShou2zhi,YUTian2qing,etal.Propertiesofcarbonnano2tubesmagnesiuummatrixcompositebycastingJ.Foundry,2004,53(3):190-193.10FENGYi,YUANHai2long,ZHANGMin.Fabricationandpropertiesofsilver2matrixcompositesreinforcedbycarbonnanotubesJ.MaterialsCharacterization,2005,55