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３,張荻３

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

３．上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室,上海２００２４０)

摘　要:采用電化學溶解Ｇ氣相色譜標定方法,研究了不同燒結時間下質量分數２％CNTs/５０８３Al

復合材料中界面反應程度的變化規律,并探討了界面反應程度與復合材料力學性能的關系.結果表

明:在５７０℃燒結溫度下,當燒結時間從１h延長到６h時,２％CNTs/５０８３Al復合材料的界面反應程

度從５．５％增加到２４．１％,并與燒結時間成一定的線性關系;隨著燒結時間的延長,復合材料的楊氏模量、屈服強度與抗拉強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增加的趨勢.

關鍵詞:碳納米管;鋁基復合材料;界面反應程度;力學性能

中圖分類號:TB３３１　　　文獻標志碼: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、力學性能好、導熱與導電性能優異等特點,是各類復合材料的理想增強體[１].碳納米管增強鋁基(CNTs/Al)復合材料以其高比強度、高比剛度、低膨脹系數、高熱導率等特點而在航空航天、汽車制造、電子儀器和軍事等領域具有廣闊的應用前景[２Ｇ６].有研究發現,除CNTs的分散程度外,CNTs/Al界面的結合狀態對CNTs/Al復合材料的力學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熱交換[２,８Ｇ９].在通過粉末冶金和鑄造法來制備復合材料的過程中,CNTs易與鋁基體發生反生成碳化物(４Al＋３C→Al４C３).有研究[１０Ｇ１１]發現,CNTs/Al界面反應生成的Al４C３ 陶瓷相可以在一定程度上提高界面的結合強度,但如果CNTs/Al界面處生成了過量的Al４C３ 相,Al４C３ 相本身的脆性、低熱導率和易水解的特點會對CNTs/Al復合材料的性能產生不利的影響[１２].因此,通過定量表征CNTs/Al界面反應程度,建立工藝參數、界面反應程度與材料性能之間的關系,可以優化材料的制備工藝,并進一步提高CNTs/Al復合材料的性能.然而,傳統的表征手段并不能定量地表征CNTs/Al界面反應程度.掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)適用于直接觀測反應產物Al４C３ 的形貌和微觀結構,而難以進行定量數據的統計;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,在界面反應程度較低(Al４C３ 質量分數小于４ ％)時,一般無法檢測出界面反應產物的含量.為此,作者所在課題組報道了一種基于界面反應產物Al４C３ 水解生成甲烷的原理,可以快速地、精確地測定CNTs/Al界面反應程度的電化學溶解Ｇ氣相色譜標定方法,深入研究并討論了其設計原理、測試精度、可重復性及其影響因素等[１４].

在此基礎上,作者以粉末冶金法制備質量分數為２％的CNTs/５０８３AlCNTs/Al復合材料為研究對象,研究了不同燒結時間下復合材料界面反應程度的變化規律,并探討了界面反應程度與力學性能的關系,為CNTs/Al復合材料的設計和制備提供參考.

１　試樣制備與試驗方法

１．１　試樣制備

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

１．２　試驗方法

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

應變速率為５×１０－３s－１.采用TYＧCS２C型碳硫高速分析儀２％CNTs/５０８３Al復合材料中的碳含量.采用自主研發的試驗裝置[１４]對復合材料的界面反應程度進行定量測試,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;Ⅱ為氣體收集系統;Ⅲ為氣體檢測系統.相關試驗原理、精確度、可靠性及裝置的詳細信息可見。

圖２?。玻NTs/５０８３Al復合材料試樣的宏觀形貌

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

圖３　不同燒結時間下２％CNTs/５０８３Al復合材料的界面反應程度

Fig．３　Interfacialreactiondegreeof２％CNTs/５０８３Alcomposite

indifferentsinteringtime

２．３　拉伸性能與界面反應程度的關系

２．３．１　楊氏模量與界面反應程度的關系

當燒結時間為１,２,４h時,復合材料的致密化程度得到提高,界面結合強度逐漸增強,所以楊氏模量從７９GPa增加到９０GPa;當燒結時間達６h時,界面反應程度較大(２４．１％),此時CNTs的結構完整性已受到很大破壞[１７],同時界面反應產物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],從而導致復合材料楊氏模量的降低。

２．３．２　強度與界面反應程度的關系

在燒結初期,隨著燒結時間的延長,復合材料的致密化程度得到提高,同時適當的界面反應可提高界面結合強度,增強５０８３Al基體和CNTs間的載荷傳遞,而此時晶粒并沒有發生明顯長大,因此當燒

結時間為１,２h時,復合材料的屈服強度、抗拉強度均增加[１９Ｇ２０];當燒結時間為４h時,雖然界面結合強度和載荷傳遞效應進一步增強,但基體晶粒粗化的程度更為明顯,因此復合材料的屈服強度和抗拉強度降低;當燒結時間為６h時,過量的界面反應降低了CNTs的增強效率,同時基體晶粒進一步粗化,

從而導致屈服強度和抗拉強度的進一步降低。

２．３．３　伸長率與界面反應程度的關系

當燒結時間由１h增加到２h時,復合材料的界面反應程度增大,界面結合強度提高,較強的結合界面對裂紋萌生后的偏轉作用較弱,導致復合材料的伸長率略微下降.當燒結時間增加到４,６h時,基體晶粒的粗化效應顯著,復合材料的伸長率增加。

３　結　論

(１)在５７０ ℃燒結溫度下,當燒結時間從１h延長到６h時,２％CNTs/５０８３Al復合材料的界面反應程度從５．５％增加到２４．１％,并與燒結時間成一定的線性關系。

(２)隨著燒結時間的延長,２％CNTs/５０８３Al復合材料的屈服強度、抗拉強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增加的趨勢;當燒結時間為４h時,２％ CNTs/５０８３Al復合材料的界面反應程度為１５．３％,此時復合材料具有較優異的綜合力學性能。

(３)可以通過CNTs/Al界面反應程度的定量

測試來優化材料制備工藝、調控界面反應程度與結合強度,從而提高復合材料的性能。