分享：碳纳米管/铝界面反应程度及其与复合材料 力学性能的关系

李忠文１,林仁邦２,胡励２,俞子贇３,鄢来朋３,谭占秋３,范根莲３,李志强３,张荻３

(１．中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛２６６１１１;２．上海宇航系统工程研究所,上海２０１１０８;

３．上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海２００２４０)

摘　要:采用电化学溶解Ｇ气相色谱标定方法,研究了不同烧结时间下质量分数２％CNTs/５０８３Al

复合材料中界面反应程度的变化规律,并探讨了界面反应程度与复合材料力学性能的关系.结果表

明:在５７０℃烧结温度下,当烧结时间从１h延长到６h时,２％CNTs/５０８３Al复合材料的界面反应程

度从５．５％增加到２４．１％,并与烧结时间成一定的线性关系;随着烧结时间的延长,复合材料的杨氏模量、屈服强度与抗拉强度均呈先增加后降低的趋势,而伸长率呈先略微下降后持续增加的趋势.

关键词:碳纳米管;铝基复合材料;界面反应程度;力学性能

中图分类号:TB３３１　　　文献标志码:A　　　文章编号: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

碳纳米管(CNTs)作为一种一维管状纳米材料,具有密度低、力学性能好、导热与导电性能优异等特点,是各类复合材料的理想增强体[１].碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料以其高比强度、高比刚度、低膨胀系数、高热导率等特点而在航空航天、汽车制造、电子仪器和军事等领域具有广阔的应用前景[２Ｇ６].有研究发现,除CNTs的分散程度外,CNTs/Al界面的结合状态对CNTs/Al复合材料的力学性能和功能特性具有重要的影响[７].理想的CNTs/Al界面不仅能有效地由铝基体向CNTs传递载荷,同时也能通过降低界面热阻来促进热交换[２,８Ｇ９].在通过粉末冶金和铸造法来制备复合材料的过程中,CNTs易与铝基体发生反生成碳化物(４Al＋３C→Al４C３).有研究[１０Ｇ１１]发现,CNTs/Al界面反应生成的Al４C３ 陶瓷相可以在一定程度上提高界面的结合强度,但如果CNTs/Al界面处生成了过量的Al４C３ 相,Al４C３ 相本身的脆性、低热导率和易水解的特点会对CNTs/Al复合材料的性能产生不利的影响[１２].因此,通过定量表征CNTs/Al界面反应程度,建立工艺参数、界面反应程度与材料性能之间的关系,可以优化材料的制备工艺,并进一步提高CNTs/Al复合材料的性能.然而,传统的表征手段并不能定量地表征CNTs/Al界面反应程度.扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)适用于直接观测反应产物Al４C３ 的形貌和微观结构,而难以进行定量数据的统计;X射线衍射仪(XRD)、Raman[１３]测试只能定性或半定量地检测Al４C３ 的含量,而且由于测试仪器精度的限制,在界面反应程度较低(Al４C３ 质量分数小于４ ％)时,一般无法检测出界面反应产物的含量.为此,作者所在课题组报道了一种基于界面反应产物Al４C３ 水解生成甲烷的原理,可以快速地、精确地测定CNTs/Al界面反应程度的电化学溶解Ｇ气相色谱标定方法,深入研究并讨论了其设计原理、测试精度、可重复性及其影响因素等[１４].

在此基础上,作者以粉末冶金法制备质量分数为２％的CNTs/５０８３AlCNTs/Al复合材料为研究对象,研究了不同烧结时间下复合材料界面反应程度的变化规律,并探讨了界面反应程度与力学性能的关系,为CNTs/Al复合材料的设计和制备提供参考.

１　试样制备与试验方法

１．１　试样制备

选用浙江百年银工贸有限公司生产的粒径为３０μm、化学成分(质量分数/％)为AlＧ４．１MgＧ０．５MnＧ０．１６FeＧ０．１Cr的５０８３Al合金粉和日本昭和电工株式会社生产的直径为１５０nm、长度为１０~２０μm 的多壁碳纳米管为试验原料,将两者混合得到CNTs质量分数为２％的CNTs和５０８３Al混合粉.混合粉经机械混合１０h后放入不锈钢球磨罐中,球料质量比为２０∶１,球磨转速为１３５r??min－１,球磨８h.将所得到的复合粉体经３００MPa冷压后,在管式炉中进行真空烧结,烧结温度为５７０℃,真空烧结时间为１,２,４,６h,然后得到直径为４０mm 的坯体.将烧结坯在马弗炉中４２０℃保温３０min后,镦粗至直径为４１mm 坯体,再经挤压变形后得到直径为８mm、质量分数为２％的CNTs/５０８３Al复合材料棒材,记作２％CNTs/５０８３Al复合材料.

１．２　试验方法

按照GB/T２２８－２００２在复合材料棒材上截取试样,采用ZwickＧ１００型万能拉伸机测复合材料的拉伸性能,试样的标距为２５mm,直径为５mm,

应变速率为５×１０－３s－１.采用TYＧCS２C型碳硫高速分析仪２％CNTs/５０８３Al复合材料中的碳含量.采用自主研发的试验装置[１４]对复合材料的界面反应程度进行定量测试,装置示意如图１所示,该装置主要分为三个部分:Ⅰ 为直流电解系统;Ⅱ为气体收集系统;Ⅲ为气体检测系统.相关试验原理、精确度、可靠性及装置的详细信息可见。

图２　２％CNTs/５０８３Al复合材料试样的宏观形貌

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

图３　不同烧结时间下２％CNTs/５０８３Al复合材料的界面反应程度

Fig．３　Interfacialreactiondegreeof２％CNTs/５０８３Alcomposite

indifferentsinteringtime

２．３　拉伸性能与界面反应程度的关系

２．３．１　杨氏模量与界面反应程度的关系

当烧结时间为１,２,４h时,复合材料的致密化程度得到提高,界面结合强度逐渐增强,所以杨氏模量从７９GPa增加到９０GPa;当烧结时间达６h时,界面反应程度较大(２４．１％),此时CNTs的结构完整性已受到很大破坏[１７],同时界面反应产物Al４C３的弹性模量比CNTs的小,在这两种因素的共同作用下,CNTs的增大模量的效率降低[１８],从而导致复合材料杨氏模量的降低。

２．３．２　强度与界面反应程度的关系

在烧结初期,随着烧结时间的延长,复合材料的致密化程度得到提高,同时适当的界面反应可提高界面结合强度,增强５０８３Al基体和CNTs间的载荷传递,而此时晶粒并没有发生明显长大,因此当烧

结时间为１,２h时,复合材料的屈服强度、抗拉强度均增加[１９Ｇ２０];当烧结时间为４h时,虽然界面结合强度和载荷传递效应进一步增强,但基体晶粒粗化的程度更为明显,因此复合材料的屈服强度和抗拉强度降低;当烧结时间为６h时,过量的界面反应降低了CNTs的增强效率,同时基体晶粒进一步粗化,

从而导致屈服强度和抗拉强度的进一步降低。

２．３．３　伸长率与界面反应程度的关系

当烧结时间由１h增加到２h时,复合材料的界面反应程度增大,界面结合强度提高,较强的结合界面对裂纹萌生后的偏转作用较弱,导致复合材料的伸长率略微下降.当烧结时间增加到４,６h时,基体晶粒的粗化效应显著,复合材料的伸长率增加。

３　结　论

(１)在５７０ ℃烧结温度下,当烧结时间从１h延长到６h时,２％CNTs/５０８３Al复合材料的界面反应程度从５．５％增加到２４．１％,并与烧结时间成一定的线性关系。

(２)随着烧结时间的延长,２％CNTs/５０８３Al复合材料的屈服强度、抗拉强度和杨氏模量均呈先增加后降低的趋势,伸长率呈先略微下降后持续增加的趋势;当烧结时间为４h时,２％ CNTs/５０８３Al复合材料的界面反应程度为１５．３％,此时复合材料具有较优异的综合力学性能。

(３)可以通过CNTs/Al界面反应程度的定量

测试来优化材料制备工艺、调控界面反应程度与结合强度,从而提高复合材料的性能。