对碳纳米管铝基复合材料的组织及力学性能分析

2018-12-27雷鸣

世界有色金属 2018年20期

关键词：碳纳米管晶粒基体

雷鸣

（哈尔滨华德学院材料工程系，黑龙江哈尔滨 150025）

现阶段金属基复合材料的种类主要分为两种，一是钛基复合材料；二是铝基复合材料，其中铝基复合材料是应用作为广泛的金属基复合材料，而碳纳米管作为提高铝基复合材料组织性能的原子材料，则受到了相关业内人士和工业领域的重点关注对象。

1 铝基复合材料和碳纳米管概述

（1）铝基复合材料。之所以将铝作为复合材料的基体，主要是因为铝金属具有以下几方面的优势：一是低密度；二是良好的导电和导热性能；三是抗腐蚀性能强[1]。

（2）碳纳米管。碳纳米管是由多个碳原子按照六方点阵排列而成的中空细管，如图1所示，碳纳米管内部具有多层管壁，每个管壁的间距大致在0.4纳米左右，其结构较为稳定，碳纳米管作为铝基体复合材料的增强相，不仅具备铝基复合材料的优点，其性能和应用效果更加显著。

2 碳纳米管铝基复合材料的组织及力学性能

2.1 碳纳米管铝基复合材料的组织

碳纳米管铝基复合材料具有以下几点优势：一是高长径比；二是低密度；三是润滑性强；四是导电导热性能优越[2]。现阶段制作碳纳米管铝基复合材料的主要方法为外加法，这种方法的操作步骤是首先将碳纳米管转化为粉末，并将其放入铝基之中，继而提升铝基复合材料的各项基本性能，但是这种方式的提升效果相对有限，且在使用过程中必然会存在一些问题，影响了碳纳米管铝基复合材料效果的实现。而使用冷压、烧结和复压等工艺制造碳纳米管铝基复合材料则可以有效避免外加法的缺点，碳纳米管铝基复合材料的性能也得以充分发挥。

电导率是碳纳米管铝基复合材料的组织的重要组成部分，随着碳纳米管铝基复合材料的应用范围不断扩大，如何提升其组织性能和电导率，已经成为制约该材料发展的重点问题，而采用热挤压工艺对碳纳米管铝基复合材料进行处理，则可以有效增强复合材料组织的密度，消除组织晶粒的缝隙，钛基复合材料的导电率也会因此而提升。

2.2 碳纳米管铝基复合材料的力学性能分析

图2 复压和热挤压碳纳米管铝基复合材料的硬度变化趋势

图2所示内容为采用复压和热挤压工艺制备的碳纳米管铝基复合材料的硬度曲线。通过观察图片可知，利用热压方式制备的碳纳米管铝基复合材料其硬度变化趋势与复压方式大致相同，随着碳纳米管含量的提升，铝基复合材料的硬度也随之提升，其提升峰值位于0.75WT%左右，采用这两种工艺制备的碳纳米管铝基复合材料，其硬度大概位于54-63之间，相较于纯铝的硬度，要高出40%左右，由此可知，将碳纳米管应用于铝基复合材料制备之中，大大提升了铝基复合材料的硬度。此外，在碳纳米管同等含量下，通过热挤压工艺制备的铝基复合材料硬度要高于复压制备工艺，高出的幅度大于在23%左右。

因此，采用热挤压制备碳纳米管铝基复合材料，可以在一定程度上提升材料的硬度。其中，碳纳米管铝基复合材料组织的影响，是两种工艺提升碳纳米管铝基复合材料硬度的主要方式。碳纳米管对于铝基复合材料硬度变化的影响具有发散性特征，不是突然增加复合材料的硬度，而是经过一段时间的变化后，才会对铝基复合材料的硬度造成影响。如果铝基复合材料中碳纳米管的含量小于等于0.5wt%，则铝基复合材料的硬度将会持续提升，究其原因，主要是碳纳米管对铝基复合材料中的缝隙进行了填补，同时，如果铝基复合材料中的碳纳米管含量适中，则可以均匀散布在铝基体复合材料的结构中，从而提高铝基体的结晶效果，致使铝基复合材料的强度和硬度得到显著提升，并且这种提升程度还会随着碳纳米管含量的增加而提升。如果碳纳米管含量处于0.6wt%左右时，可能会导致粘连和聚集问题的出现，从而对铝基体的连续性造成破坏。此外，在对铝基复合材料进行烧结处理时，铝基体由于温度的提升，可能会对铝原子造成堵截，致使铝原子无法得以有效扩散，因而导致铝基复合材料出现大量的空隙，铝基复合材料的硬度的上升速度也会因此而减缓。如果碳纳米管的含量为1.0wt%时，大量聚集的碳纳米管会对铝基体晶粒成型的速度造成影响，致使铝基体晶粒的连续性遭到破坏，同时，碳纳米管铝基复合材料的结合度也会受到影响，导致碳纳米管铝基复合材料的硬度大大降低，这种情况对于碳纳米管铝基复合材料硬度的影响，远超过碳纳米管弥散性的影响。

热挤压工艺提升铝基复合材料硬度的主要方式包括以下两方面，一是对复合材料的组织形态进行改善；二是改变碳纳米管的分布方式。通过相关实验结果表明，热挤压前后，铝基复合材料的内部组织发生了变化，铝基复合材料在受到挤压后，形状会发生改变，呈现长条状，组织内部的晶粒尺寸缩小情况严重，由此可以得出，热挤压工艺的使用，可以对铝基复合材料组织内晶粒进行强化。由于在热挤压情况下，铝基复合材料的形状会发生改变，且压力也会增大，再加之组织内部缝隙被挤压消除，其密度会就此提升。铝基复合材料内部的晶粒在受到热挤压后，其内部的碳纳米管会被迫进行运动，促使碳纳米管团聚情况得到改善，铝基复合材料的连续性也得以恢复，碳纳米管和铝基复合材料的界面结合程度也会增加，促使载荷传递和弥散强化等效果更加显著。