分享：碳納米管/鋁界面反應(yīng)程度及其與復(fù)合材料 力學(xué)性能的關(guān)系

李忠文１,林仁邦２,胡勵２,俞子贇３,鄢來朋３,譚占秋３,范根蓮３,李志強(qiáng)３,張荻３

(１．中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島２６６１１１;２．上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海２０１１０８;

３．上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海２００２４０)

摘　要:采用電化學(xué)溶解Ｇ氣相色譜標(biāo)定方法,研究了不同燒結(jié)時間下質(zhì)量分?jǐn)?shù)２％CNTs/５０８３Al

復(fù)合材料中界面反應(yīng)程度的變化規(guī)律,并探討了界面反應(yīng)程度與復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)系.結(jié)果表

明:在５７０℃燒結(jié)溫度下,當(dāng)燒結(jié)時間從１h延長到６h時,２％CNTs/５０８３Al復(fù)合材料的界面反應(yīng)程

度從５．５％增加到２４．１％,并與燒結(jié)時間成一定的線性關(guān)系;隨著燒結(jié)時間的延長,復(fù)合材料的楊氏模量、屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均呈先增加后降低的趨勢,而伸長率呈先略微下降后持續(xù)增加的趨勢.

關(guān)鍵詞:碳納米管;鋁基復(fù)合材料;界面反應(yīng)程度;力學(xué)性能

中圖分類號:TB３３１　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A　　　文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)１１Ｇ００１９Ｇ０４

CNTs/AlInterfacialReactionDegreeandtheRelationshipwith

MechanicalPerformanceofComposite

LIZhongwen１,LINRenbang２,HULi２,YUZiyun３,YANLaipeng３,TANZhanqiu３,

FANGenlian３,LIZhiqiang３,ZHANGDi３

(１．CRRCQingdaoSifangCO．,LTD．,Qingdao２６６１１１,China;

２．ShanghaiInstituteofAerospaceSystemEngineering,Shanghai２０１１０８,China;

３．StakeKeyLaboratoryofMetalMatrixComposites,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai２００２４０,China)

Abstract:Theevolutionofinterfacialreactiondegreewithdifferentsinteringtimeofmassfraction２％

CNTs/５０８３Alcomposite was studied by the electrochemical dissolutionＧgas chromatography method．The

relationshipofinterfacialreactiondegreeand mechanicalperformancewasdiscussed．Theresultsshowthatwithsinteringtimeincreasingfrom１hto６h,interfacialreactiondegreeof２％CNTs/５０８３Alcompositeincreasedfrom５．５％to２４．１％ 

andshowedacertainlinearrelationshipwithsinteringtimewhenthecompositewassinteredat５７０℃．Young′smodulus,yieldstrengthandtensilestrengthofthecompositeincreasedatfirstandthendecreased,

whiletheelongationdecreasedslightlyatfirstandthenincreasedcontinuouslywiththeincreaseofsinteringtime．

Key words:Carbon nanotube;aluminum matrix composite;interfacialreaction degree; mechanical

performance

０　引　言

碳納米管(CNTs)作為一種一維管狀納米材料,具有密度低、力學(xué)性能好、導(dǎo)熱與導(dǎo)電性能優(yōu)異等特點(diǎn),是各類復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體[１].碳納米管增強(qiáng)鋁基(CNTs/Al)復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比剛度、低膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)而在航空航天、汽車制造、電子儀器和軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[２Ｇ６].有研究發(fā)現(xiàn),除CNTs的分散程度外,CNTs/Al界面的結(jié)合狀態(tài)對CNTs/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能和功能特性具有重要的影響[７].理想的CNTs/Al界面不僅能有效地由鋁基體向CNTs傳遞載荷,同時也能通過降低界面熱阻來促進(jìn)熱交換[２,８Ｇ９].在通過粉末冶金和鑄造法來制備復(fù)合材料的過程中,CNTs易與鋁基體發(fā)生反生成碳化物(４Al＋３C→Al４C３).有研究[１０Ｇ１１]發(fā)現(xiàn),CNTs/Al界面反應(yīng)生成的Al４C３ 陶瓷相可以在一定程度上提高界面的結(jié)合強(qiáng)度,但如果CNTs/Al界面處生成了過量的Al４C３ 相,Al４C３ 相本身的脆性、低熱導(dǎo)率和易水解的特點(diǎn)會對CNTs/Al復(fù)合材料的性能產(chǎn)生不利的影響[１２].因此,通過定量表征CNTs/Al界面反應(yīng)程度,建立工藝參數(shù)、界面反應(yīng)程度與材料性能之間的關(guān)系,可以優(yōu)化材料的制備工藝,并進(jìn)一步提高CNTs/Al復(fù)合材料的性能.然而,傳統(tǒng)的表征手段并不能定量地表征CNTs/Al界面反應(yīng)程度.掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)適用于直接觀測反應(yīng)產(chǎn)物Al４C３ 的形貌和微觀結(jié)構(gòu),而難以進(jìn)行定量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì);X射線衍射儀(XRD)、Raman[１３]測試只能定性或半定量地檢測Al４C３ 的含量,而且由于測試儀器精度的限制,在界面反應(yīng)程度較低(Al４C３ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于４ ％)時,一般無法檢測出界面反應(yīng)產(chǎn)物的含量.為此,作者所在課題組報(bào)道了一種基于界面反應(yīng)產(chǎn)物Al４C３ 水解生成甲烷的原理,可以快速地、精確地測定CNTs/Al界面反應(yīng)程度的電化學(xué)溶解Ｇ氣相色譜標(biāo)定方法,深入研究并討論了其設(shè)計(jì)原理、測試精度、可重復(fù)性及其影響因素等[１４].

在此基礎(chǔ)上,作者以粉末冶金法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為２％的CNTs/５０８３AlCNTs/Al復(fù)合材料為研究對象,研究了不同燒結(jié)時間下復(fù)合材料界面反應(yīng)程度的變化規(guī)律,并探討了界面反應(yīng)程度與力學(xué)性能的關(guān)系,為CNTs/Al復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備提供參考.

１　試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１　試樣制備

選用浙江百年銀工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的粒徑為３０μm、化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為AlＧ４．１MgＧ０．５MnＧ０．１６FeＧ０．１Cr的５０８３Al合金粉和日本昭和電工株式會社生產(chǎn)的直徑為１５０nm、長度為１０~２０μm 的多壁碳納米管為試驗(yàn)原料,將兩者混合得到CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為２％的CNTs和５０８３Al混合粉.混合粉經(jīng)機(jī)械混合１０h后放入不銹鋼球磨罐中,球料質(zhì)量比為２０∶１,球磨轉(zhuǎn)速為１３５r??min－１,球磨８h.將所得到的復(fù)合粉體經(jīng)３００MPa冷壓后,在管式爐中進(jìn)行真空燒結(jié),燒結(jié)溫度為５７０℃,真空燒結(jié)時間為１,２,４,６h,然后得到直徑為４０mm 的坯體.將燒結(jié)坯在馬弗爐中４２０℃保溫３０min后,鐓粗至直徑為４１mm 坯體,再經(jīng)擠壓變形后得到直徑為８mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為２％的CNTs/５０８３Al復(fù)合材料棒材,記作２％CNTs/５０８３Al復(fù)合材料.

１．２　試驗(yàn)方法

按照GB/T２２８－２００２在復(fù)合材料棒材上截取試樣,采用ZwickＧ１００型萬能拉伸機(jī)測復(fù)合材料的拉伸性能,試樣的標(biāo)距為２５mm,直徑為５mm,

應(yīng)變速率為５×１０－３s－１.采用TYＧCS２C型碳硫高速分析儀２％CNTs/５０８３Al復(fù)合材料中的碳含量.采用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置[１４]對復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度進(jìn)行定量測試,裝置示意如圖１所示,該裝置主要分為三個部分:Ⅰ 為直流電解系統(tǒng);Ⅱ?yàn)闅怏w收集系統(tǒng);Ⅲ為氣體檢測系統(tǒng).相關(guān)試驗(yàn)原理、精確度、可靠性及裝置的詳細(xì)信息可見。

圖２?。玻NTs/５０８３Al復(fù)合材料試樣的宏觀形貌

Fig.２　Macroscopicmorphologyof２％ CNTs ５０８３Alcompositesamples a ?４0mmsinteringcompactand b ?８ mmextrudedrod

圖３　不同燒結(jié)時間下２％CNTs/５０８３Al復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度

Fig．３　Interfacialreactiondegreeof２％CNTs/５０８３Alcomposite

indifferentsinteringtime

２．３　拉伸性能與界面反應(yīng)程度的關(guān)系

２．３．１　楊氏模量與界面反應(yīng)程度的關(guān)系

當(dāng)燒結(jié)時間為１,２,４h時,復(fù)合材料的致密化程度得到提高,界面結(jié)合強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),所以楊氏模量從７９GPa增加到９０GPa;當(dāng)燒結(jié)時間達(dá)６h時,界面反應(yīng)程度較大(２４．１％),此時CNTs的結(jié)構(gòu)完整性已受到很大破壞[１７],同時界面反應(yīng)產(chǎn)物Al４C３的彈性模量比CNTs的小,在這兩種因素的共同作用下,CNTs的增大模量的效率降低[１８],從而導(dǎo)致復(fù)合材料楊氏模量的降低。

２．３．２　強(qiáng)度與界面反應(yīng)程度的關(guān)系

在燒結(jié)初期,隨著燒結(jié)時間的延長,復(fù)合材料的致密化程度得到提高,同時適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)可提高界面結(jié)合強(qiáng)度,增強(qiáng)５０８３Al基體和CNTs間的載荷傳遞,而此時晶粒并沒有發(fā)生明顯長大,因此當(dāng)燒

結(jié)時間為１,２h時,復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均增加[１９Ｇ２０];當(dāng)燒結(jié)時間為４h時,雖然界面結(jié)合強(qiáng)度和載荷傳遞效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng),但基體晶粒粗化的程度更為明顯,因此復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低;當(dāng)燒結(jié)時間為６h時,過量的界面反應(yīng)降低了CNTs的增強(qiáng)效率,同時基體晶粒進(jìn)一步粗化,

從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的進(jìn)一步降低。

２．３．３　伸長率與界面反應(yīng)程度的關(guān)系

當(dāng)燒結(jié)時間由１h增加到２h時,復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度增大,界面結(jié)合強(qiáng)度提高,較強(qiáng)的結(jié)合界面對裂紋萌生后的偏轉(zhuǎn)作用較弱,導(dǎo)致復(fù)合材料的伸長率略微下降.當(dāng)燒結(jié)時間增加到４,６h時,基體晶粒的粗化效應(yīng)顯著,復(fù)合材料的伸長率增加。

３　結(jié)　論

(１)在５７０ ℃燒結(jié)溫度下,當(dāng)燒結(jié)時間從１h延長到６h時,２％CNTs/５０８３Al復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度從５．５％增加到２４．１％,并與燒結(jié)時間成一定的線性關(guān)系。

(２)隨著燒結(jié)時間的延長,２％CNTs/５０８３Al復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和楊氏模量均呈先增加后降低的趨勢,伸長率呈先略微下降后持續(xù)增加的趨勢;當(dāng)燒結(jié)時間為４h時,２％ CNTs/５０８３Al復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度為１５．３％,此時復(fù)合材料具有較優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

(３)可以通過CNTs/Al界面反應(yīng)程度的定量

測試來優(yōu)化材料制備工藝、調(diào)控界面反應(yīng)程度與結(jié)合強(qiáng)度,從而提高復(fù)合材料的性能。