碳納米管/鋁復(fù)合材料界面調(diào)控研究進(jìn)展

鄢來朋，譚占秋，熊定邦，范根蓮，李志強(qiáng)，張 荻

(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)

碳納米管/鋁復(fù)合材料界面調(diào)控研究進(jìn)展

鄢來朋，譚占秋，熊定邦，范根蓮，李志強(qiáng)，張 荻

(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)

從碳納米管表面改性、金屬基體合金化和復(fù)合工藝優(yōu)化三個方面綜述了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料界面設(shè)計與調(diào)控的研究新進(jìn)展，并對未來可能的發(fā)展新趨勢進(jìn)行了展望?，F(xiàn)有的界面設(shè)計研究尚存在一定的局限性，如碳納米管表面改性引入金屬或氧化物連續(xù)鍍膜將碳納米管與基體隔離，缺乏對鍍膜尺寸和分布的設(shè)計調(diào)控，未能有效發(fā)揮碳納米管自身的復(fù)合強(qiáng)化作用，未來需要針對復(fù)合材料的具體應(yīng)用和性能需求，更有針對性地設(shè)計碳納米管的表面狀態(tài)或復(fù)合界面的結(jié)合程度，如：碳納米管表面缺陷修飾、復(fù)合材料構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計等，并對表面修飾產(chǎn)物的尺寸和分布進(jìn)行精細(xì)有效的調(diào)控，以獲得更為理想的界面狀態(tài)，充分發(fā)揮納米碳的增強(qiáng)效率。

碳納米管; 鋁基復(fù)合材料; 表面改性; 界面調(diào)控; 界面反應(yīng)

1 前 言

復(fù)合化是金屬材料實(shí)現(xiàn)高性能化和功能化的一個有效途徑。碳納米管(CNTs)作為一維管狀納米材料，密度低，具有極其優(yōu)異的力學(xué)、導(dǎo)熱與導(dǎo)電性能[1]，是輕質(zhì)高強(qiáng)多功能復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(CNT/Al)以其高比強(qiáng)度、高比剛度以及低膨脹、高導(dǎo)熱等功能特性在航空航天、汽車制造、電子儀器和軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2-4]。然而迄今為止，CNTs在CNT/Al復(fù)合材料中所體現(xiàn)的增強(qiáng)效果與理論預(yù)期仍差距較大，其中最重要的原因就在于CNTs與Al基體之間均勻復(fù)合困難，且易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、界面調(diào)控困難，難以發(fā)揮CNTs的增強(qiáng)增模作用。一方面，結(jié)構(gòu)完整的CNTs雖保有高性能，但很難與Al形成強(qiáng)界面結(jié)合，受載時易界面脫粘導(dǎo)致載荷無法有效傳遞；另一方面，在CNTs的表面引入缺陷可有效促進(jìn)界面反應(yīng)與結(jié)合，但極易失控而導(dǎo)致大量Al4C3相生成，及CNTs自身結(jié)構(gòu)和性能嚴(yán)重受損，從而降低CNT/Al復(fù)合材料的綜合性能[3, 5]。因此，如何在低損傷或不損傷CNTs結(jié)構(gòu)的前提下，調(diào)控界面反應(yīng)獲得理想的界面結(jié)合，成為突破CNT/Al復(fù)合材料制備和應(yīng)用的關(guān)鍵。

需要指出的是，表征方法對于CNT/Al復(fù)合界面的調(diào)控至關(guān)重要。現(xiàn)有的方法主要包括：①SEM、TEM等微觀形貌表征手段，只能觀測局部的CNT/Al界面，不具統(tǒng)計意義，且技術(shù)操作上較為困難；②Raman、XRD等譜線手段，可以從統(tǒng)計學(xué)角度定性或半定量表征界面反應(yīng)程度，但均存在測試精度較差的局限性。如要進(jìn)一步探明界面反應(yīng)與宏觀性能關(guān)系，需要尋求一種可定量且精度較高的測定界面反應(yīng)程度的表征手段。

目前，國內(nèi)外CNT/Al復(fù)合界面調(diào)控研究主要集中在3個方面，即：CNTs表面改性[6-9]、鋁基體合金化[5, 10]以及復(fù)合工藝優(yōu)化[11, 12]。本文首先根據(jù)CNT/Al界面反應(yīng)的程度區(qū)分出3種基本界面類型，進(jìn)而以之為線索對CNT/Al復(fù)合界面調(diào)控研究相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行綜述，并就其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

2 CNT/Al復(fù)合界面的類型

金屬基體與CNTs的界面結(jié)合來源于兩種組成物相接觸表面之間的物理結(jié)合、化學(xué)鍵合或兼而有之。不同類型的界面結(jié)合的界面強(qiáng)度不同，對CNTs增強(qiáng)效益的發(fā)揮至關(guān)重要。如圖1所示，按照界面化學(xué)成分，界面類型可以分為機(jī)械結(jié)合型、擴(kuò)散結(jié)合型和反應(yīng)結(jié)合型。

圖1 CNT/Al復(fù)合界面類型示意圖：(a)機(jī)械結(jié)合；(b)擴(kuò)散結(jié)合；(c)反應(yīng)結(jié)合Fig.1 Schematics of the different stages of interface evolution in the CNT/Al composites: (a) mechanical lock;(b) diffusion bonding and (c) chemical bonding

2.1 機(jī)械結(jié)合型

機(jī)械結(jié)合型界面表示CNTs與Al之間既未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也未發(fā)生明顯的擴(kuò)散而形成過渡擴(kuò)散層[13-15]。此種界面在CNTs增強(qiáng)高分子復(fù)合材料中較為常見[16-18]。機(jī)械結(jié)合型CNT/Al界面的結(jié)合力主要來源于CNTs的表面凹陷、凸起及褶皺與Al基體之間所產(chǎn)生的摩擦力[19]。相對于CNT/Al復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能而言，機(jī)械結(jié)合型界面強(qiáng)度低，承載時界面容易脫粘滑動而失效。

2.2 反應(yīng)結(jié)合型

反應(yīng)結(jié)合型表示CNTs與Al基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成了界面反應(yīng)產(chǎn)物Al4C3[13-15]。在諸如粉末冶金[20]、鑄造[21]、熱噴涂[10]等CNT/Al制備工藝中，均會形成Al4C3。Ci等[22]采用濺射工藝在CNTs表面濺射了一層Al，制備了CNT/Al復(fù)合薄膜，借以研究CNT/Al界面反應(yīng)。如圖2所示，由于CNTs的開口端部及表面缺陷處、無定形碳處、石墨化程度較低處具有較高化學(xué)活性，優(yōu)先與Al基體反應(yīng)生成納米尺度的Al4C3。他們認(rèn)為，適量的納米Al4C3可增加CNTs與Al基體間的咬合或結(jié)合，可以作為應(yīng)力傳遞的載體提高界面結(jié)合強(qiáng)度，改善了CNT/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能[22]。然而，一旦CNT/Al界面反應(yīng)過度，Al4C3生成過量且尺寸變得粗大，將對CNT/Al復(fù)合材料性能產(chǎn)生不利影響：一則以損耗CNTs為代價；二則Al4C3性能遠(yuǎn)不如CNTs，且粗大的Al4C3易于脆性斷裂，引入缺陷。

圖2 (a)500 ℃退火Al基體形貌和衍射圖譜； (b) 500 ℃退火在CNTs表面非晶碳處生成Al4C3顆粒；(c)650 ℃退火在CNTs石墨化程度較低處發(fā)生界面反應(yīng)；(d)500 ℃退火在CNTs端部出現(xiàn)Al4C3[22]Fig.2 (a) Al phase and its diffraction pattern from the sample annealed at 500 ℃; (b) Carbide particle (annealed at 500 ℃) originating from surface amorphous carbon on the CNTs; (c) Nanotube with poor graphitization had reacted with Al at 650 ℃; (d) Carbide located at the tip of one nanotube (annealed at 500 ℃)[22]

2.3 擴(kuò)散結(jié)合型

擴(kuò)散結(jié)合型界面表示CNTs與Al基體之間雖未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但通過形成界面擴(kuò)散層使界面結(jié)合強(qiáng)度得到提高。通常，擴(kuò)散結(jié)合型界面的結(jié)合強(qiáng)度介于機(jī)械結(jié)合和反應(yīng)結(jié)合之間[23]。由于必須通過納米甚至原子尺度的精細(xì)表征才能予以確認(rèn)，關(guān)于擴(kuò)散結(jié)合型CNT/Al界面的研究報道尚屬少見，但近年來已日益受到關(guān)注。

Chen等[24, 25]采用SPS快速燒結(jié)工藝使CNT/Al復(fù)合界面反應(yīng)得到有效控制。如圖3所示，通過TEM表征可以看到CNTs和Al基體結(jié)合良好，既沒有物理間隙也沒有界面反應(yīng)產(chǎn)物Al4C3存在，實(shí)為擴(kuò)散結(jié)合型界面。Chen等[24, 25]進(jìn)而采用SEM原位觀察上述CNT/Al復(fù)合材料的拉伸過程，如圖4所示，可以看到CNTs均呈現(xiàn)拔出機(jī)制失效，以及CNTs自身管壁之間的剝離現(xiàn)象，表明擴(kuò)散結(jié)合型CNT/Al界面屬于強(qiáng)界面，其界面結(jié)合強(qiáng)度至少高于CNTs層間結(jié)合強(qiáng)度。

圖3 CNT/Al的界面微觀結(jié)構(gòu)：(a)低倍率；(b)高倍率[24]Fig.3 Microstructure of CNT/Al interface: (a) at low magnification; (b) at high magnification[24]

圖4 CNT/Al復(fù)合材料的原位拉伸SEM照片[25]Fig.4 In situ SEM observations of CNT/Al composites during different processes in tensile test[25]

通常，金屬之間均存在一定的固溶度，從而使界面潤濕性和結(jié)合強(qiáng)度提高，這也是人們在CNTs表面引入Ni[26]、W[27]、Mo[28]等金屬鍍層改善CNT/Al界面結(jié)合的主要原因之一。Song等[9]通過分子動力學(xué)模擬表明在CNTs表面引入Ni涂層可以改善界面相容性，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，使得復(fù)合材料的彈性模量大幅提高。進(jìn)而Dai等[26]采用電化學(xué)沉積在CNTs表面沉積Ni涂層，研究結(jié)果表明Ni與CNTs之間界面結(jié)合得到顯著改善，使復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性都得到了明顯提高。

3 CNT/Al復(fù)合材料的界面調(diào)控方法

3.1 CNTs表面改性

CNTs表面改性實(shí)際就是利用物理、化學(xué)方法改變CNTs表面的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)(性質(zhì))，實(shí)現(xiàn)對CNTs的表面控制，改善CNTs分散性，提高CNTs表面活性，使表面產(chǎn)生新的功能，最終改善CNTs與基體的物理/化學(xué)相容性?，F(xiàn)有研究采用的主要方式有：CNTs表面氧化和CNTs涂層處理。

3.1.1 CNTs表面氧化

CNTs表面氧化是指采用高濃度的HNO3、H2SO4-HNO3、KMnO4和O2/O3等強(qiáng)氧化劑處理CNTs表面，通過強(qiáng)烈氧化引入新的活性基團(tuán)或缺陷，對CNTs進(jìn)行表面活化，從而達(dá)到改善CNTs表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的目的[8, 29-33]。Yu等[34]采用沸騰硝酸對CNTs進(jìn)行表面酸化處理引入官能團(tuán)；Lee等[35]、Yan等[36]采用混合酸對CNTs進(jìn)行表面純化和氧化。Seung等[37]利用酸化處理在CNTs表面引入了-COOH基團(tuán)，基團(tuán)之間的靜電排斥力克服了范德華力的影響，在溶劑中形成了穩(wěn)定的分散。隨后采取分子水平混合的方法，制備了CNT/Al復(fù)合材料，結(jié)果表明CNTs在基體中分散均勻，同時也獲得了較好的界面結(jié)合狀態(tài)。Xu等[38]采用O2等離子體對CNTs進(jìn)行表面改性，經(jīng)過膨脹、剝離和氧化3個階段在CNTs表面引入了分布均勻的官能團(tuán)。但采用強(qiáng)氧化劑對CNTs進(jìn)行表面改性存在一定的局限性，氧化過程會引入大量的缺陷，破壞CNTs結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致CNTs的化學(xué)和物理特性降低，達(dá)不到預(yù)期的復(fù)合增強(qiáng)效果。

3.1.2 CNTs表面涂層處理

CNTs表面涂層處理是針對CNTs表面存在的缺陷，通過不同的工藝在CNTs表面引入金屬、金屬氧化物、金屬碳化物等涂層，隔離CNTs缺陷與Al基體的直接接觸，同時提高CNTs與金屬基體的表面潤濕性，從而改善基體和CNTs之間的結(jié)合。實(shí)現(xiàn)CNTs表面涂層處理的途徑有很多，常見的有電鍍[39]、熱噴涂[10]、溶膠凝膠法[32]、化學(xué)氣相沉積法[28, 40]、物理氣相沉積法[27]、原子層沉積等[7]。

Zhang等[27]采用物理氣相沉積法在CNTs表面沉積一層10～20 nm厚的金屬鎢；Nie等[28, 40, 41]采用化學(xué)氣相沉積在CNTs表面分別沉積了厚度為20～30 nm的金屬鎢和鉬，并采用SPS燒結(jié)工藝制備了鍍鉬CNT/Al復(fù)合材料，XRD分析表明無界面產(chǎn)物Al4C3生成，鉬涂層的引入提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。此外，Wang等[42]采用化學(xué)法在CNTs表面涂覆一層厚度可控的SnO2涂層；Huang等[43]采用醇熱法在CNTs表面涂覆一層連續(xù)分布的Fe2O3涂層。Kim等[6]通過在CNTs表面引入一層連續(xù)的NiO膜，改善了CNTs和Al基體之間的潤濕性，降低了CNTs和Al基體之間的密度差，該方法特別適用于改善鑄造工藝中CNTs和Al基體之間潤濕性問題； Herrmann等[44]采用原子層沉積法(ALD)在CNTs表面引入一層連續(xù)均勻分布厚度約為20 nm的Al2O3膜，形貌如圖5所示，該Al2O3膜可以作為擴(kuò)散障礙層在CNT/Al的界面調(diào)控中獲得應(yīng)用。

圖5 采用原子層沉積法在CNTs表面鍍的氧化鋁的TEM照片[7]Fig.5 TEM image of a multi-walled carbon nanotube coated with 25 nm of Al2O3 layer[7]

Rajukumar等[45]首先采用聚合電解質(zhì)對CNTs進(jìn)行表面處理，引入活性質(zhì)點(diǎn)，然后采用溶膠凝膠法在CNTs表面引入離散的SiOx顆粒，以改善CNTs的表面特性，制備具有兼顧高導(dǎo)熱和半導(dǎo)體特性的復(fù)合材料。如圖6所示，顆粒分布在CNTs表面的活性質(zhì)點(diǎn)處。經(jīng)過SPS燒結(jié)處理后，SiOx與CNTs發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiC。圖7所示為燒結(jié)后SiC在CNTs表面的微觀形貌。Raman表征顯示SiC與CNTs直接形成Si-C化學(xué)鍵合，可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度。該工藝路徑的提出對于CNTs表面修飾和涂層處理具有借鑒意義。

圖6 (a)采用溶膠凝膠法在CNTs表面引入離散的SiOx顆粒的過程示意圖；(b)原始CNTs表面形貌；(c)SiOx涂層處理后CNTs形貌[45]Fig.6 (a) Schematic diagram of the sol-gel process to fabricate CNTs coated with SiOx particles; (b) CNTs morphology before the sol-gel process;and (c) SiOx-coated CNTs after the sol-gel process[45]

圖7 SiC顆粒在CNTs的表面形貌[45]Fig.7 SiC domains around the graphitic planes of CNTs[45]

Mansoor等[46]將CNTs、K2TiF6和鋁粉置于氬氣氛圍保護(hù)的坩堝中，升溫到790 ℃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在CNTs表面非晶碳和缺陷等處反應(yīng)生成了TiC2。如圖8所示，TiC2的引入改善了CNTs和Al基體之間的潤濕性和界面結(jié)合，同時可以有效調(diào)控CNTs和Al基體的界面反應(yīng)。與上面的表面涂層處理工藝相比，該工藝引入的TiC2在CNTs表面呈離散分布，能夠?qū)NTs表面缺陷起到修飾作用。

圖8 碳納米管表面涂層演化過程示意圖[46]Fig.8 Evolution process of coating on carbon nanotube [46]

從以上的討論可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的CNTs表面涂層工藝缺乏對涂層的尺寸和分布的設(shè)計與調(diào)控。大多數(shù)涂層在CNTs表面均呈連續(xù)膜分布狀態(tài)，雖然在一定程度上改善了界面結(jié)合，但與CNTs直徑相比，鍍層厚度較大，導(dǎo)致涂層的引入量過大；更為重要的是，連續(xù)涂層的引入完全阻斷了CNTs和Al基體的接觸，既不利于材料致密化過程和界面結(jié)合，也不利于發(fā)揮CNTs的承載或功能傳導(dǎo)，難以實(shí)現(xiàn)有效增強(qiáng)。同時，已有的研究表明[5, 22]，CNTs和Al基體的界面反應(yīng)優(yōu)先從缺陷和端部等位置發(fā)生，從這一角度出發(fā)，可考慮對CNTs的表面缺陷采取納米粒子進(jìn)行局部修飾，鈍化缺陷點(diǎn)的反應(yīng)活性；納米粒子的引入量遠(yuǎn)小于連續(xù)涂層，可以同時兼顧調(diào)控界面反應(yīng)、致密化過程和強(qiáng)化效益，既可避免界面反應(yīng)，又不會影響CNTs的增強(qiáng)效果。然而，CNTs的表面修飾研究目前主要集中在CNTs的納米功能化領(lǐng)域[47-49]，在金屬基復(fù)合材料研究方面報道較少。Mansoor等[46]所提出的CNTs表面的改性方案對于實(shí)現(xiàn)CNTs表面缺陷局部修飾具有一定的借鑒意義。

3.2 金屬基體合金化

金屬基體合金化是指在金屬基體中添加一定量的合金元素，例如Si、Cr等元素，通過合金元素與CNTs之間的界面反應(yīng)，形成一定厚度的界面反應(yīng)層，改善界面結(jié)合強(qiáng)度，同時隔阻CNTs和金屬基體之間的界面反應(yīng)。

Laha等[10]采用熱噴涂工藝制備了CNT/Al-23wt%Si復(fù)合材料。Si的存在使CNTs和Al反應(yīng)生成了納米尺度的β-SiC，而非Al4C3，該β-SiC的存在改善了CNT和基體的潤濕性，同時也阻礙了界面反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，如圖9所示。Srinivasa等[18]通過熱力學(xué)和動力學(xué)計算預(yù)測了Al-Si合金和CNTs的界面反應(yīng)，表明當(dāng)Al-Si合金中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.6%時界面反應(yīng)生成Al4C3；當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%時界面反應(yīng)生成SiC，且反應(yīng)產(chǎn)物的含量隨著CNTs的含量增加而增加。理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一致[18]，表明Si元素的引入可以改變界面處的反應(yīng)類型，這也為界面調(diào)控提供了一種思路，但相關(guān)的研究報道尚不多見。

圖9 高速火焰噴涂制備的CNT/Al-Si復(fù)合材料界面形貌照片：(a)低倍率；(b)高倍率[10] Fig.9 The interfacial morphology of CNT/Al-Si composite fabricated by high velocity oxyfuel spraying: (a) at low magnification; (b) at high magnification[10]

3.3 復(fù)合工藝優(yōu)化與創(chuàng)新

優(yōu)化工藝應(yīng)著眼于碳納米管純化、官能團(tuán)化及分散復(fù)合、致密化、變形加工過程的全流程調(diào)控，以期控制界面反應(yīng)的程度，實(shí)現(xiàn)界面良好結(jié)合[50]。研究表明，現(xiàn)有的復(fù)合制備工藝?yán)缜蚰51]、機(jī)械合金化[52]、燒結(jié)和熱擠壓[53, 54]等在一定的工藝參數(shù)下均會造成不同程度的CNTs結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致界面反應(yīng)的發(fā)生。因此，單純的工藝參數(shù)優(yōu)化對于解決CNTs損傷和界面反應(yīng)問題成效不大。

因此，開發(fā)新工藝或者改良現(xiàn)有工藝均能在一定程度上改善界面結(jié)合，例如在制備工藝中引入有機(jī)物/聚合物作為粘結(jié)劑或改性劑。Jiang等[55]從復(fù)合構(gòu)型調(diào)控的角度出發(fā)，將球狀鋁粉進(jìn)行球磨后得到納米片狀鋁粉，采用聚乙烯醇對其進(jìn)行表面包覆改性，然后使用料漿法將CNTs吸附到納米鋁片表面，自組裝形成了高質(zhì)量分?jǐn)?shù)且均勻分散的CNT/Al復(fù)合粉末；再通過高溫?zé)峤獬ゾ垡蚁┐?，制備了二維層狀分布的CNT/Al復(fù)合材料。結(jié)果表明，界面處結(jié)合良好，該工藝減少了對CNTs結(jié)構(gòu)的破壞，且通過二維構(gòu)型的調(diào)控改善了CNTs的分散性以及和Al基體尺寸匹配性。He等[56]采用化學(xué)氣相沉積原位合成CNTs制備了CNT/Al復(fù)合材料。結(jié)果表明CNTs在Al基體中分布均勻，界面結(jié)合良好，復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯提高?？梢钥吹剑瑥?fù)合工藝創(chuàng)新在一定程度上可以改善界面結(jié)合，調(diào)控CNT/Al的界面反應(yīng)。

因此，未來的復(fù)合工藝優(yōu)化必須在保證復(fù)合材料均勻化和致密化的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化球磨、機(jī)械合金化、燒結(jié)和熱擠壓等工藝，進(jìn)行合理的構(gòu)型設(shè)計與調(diào)控，盡量減少復(fù)合工藝對CNTs結(jié)構(gòu)造成的破壞。

4 結(jié) 語

根據(jù)以上討論可知，擴(kuò)散型界面或者有適量納米尺度反應(yīng)產(chǎn)物生成的界面是較為理想的界面類型，能夠有效傳遞界面載荷，同時對CNTs本身性能損傷較小。界面調(diào)控是實(shí)現(xiàn)此類界面結(jié)合的有效途徑。CNTs表面缺陷處具有較高的化學(xué)活性，是界面反應(yīng)易于發(fā)生點(diǎn)，因此對CNTs表面缺陷的鈍化及保護(hù)在界面調(diào)控中尤為重要。現(xiàn)有的研究主要是通過不同的途徑實(shí)現(xiàn)對CNTs結(jié)構(gòu)的保護(hù)，以發(fā)揮CNTs的增強(qiáng)效益，但缺乏對界面改性的精細(xì)設(shè)計以及改性物的尺寸和分布的調(diào)控，導(dǎo)致CNT/Al復(fù)合材料的致密化、界面結(jié)合以及界面反應(yīng)的調(diào)控沒有得到有效平衡。因此，需要尋求途徑在調(diào)控界面反應(yīng)的同時又不會影響復(fù)合材料的致密化和界面結(jié)合。

鑒于在功能材料領(lǐng)域?qū)NTs采用納米顆粒進(jìn)行表面功能化修飾，可在CNTs表面引入穩(wěn)定的納米顆粒鈍化缺陷；鋁基體中的原位氧化鋁，可隔阻CNTs缺陷與Al基體的直接接觸，若能精確調(diào)控其含量和分布，可望既避免界面反應(yīng)、保持CNTs結(jié)構(gòu)完整，又可通過載荷傳遞和熱/電傳導(dǎo)發(fā)揮CNTs的增強(qiáng)效果，獲得性能優(yōu)異的CNT/Al復(fù)合材料；復(fù)合構(gòu)型設(shè)計可以打破工藝優(yōu)化存在的局限性，充分發(fā)揮CNTs的增強(qiáng)效益。因此，未來CNT/Al復(fù)合材料界面調(diào)控的研究可從納米顆粒修飾CNTs表面缺陷、Al基體表面原位Al2O3調(diào)控以及合理的復(fù)合構(gòu)型設(shè)計等這幾個方面出發(fā)，獲得更加理想的復(fù)合界面和增強(qiáng)效益。

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(本文為本刊約稿，編輯 惠 瓊)

Research Progress on the Interface Control in CNT/Al Composites

YAN Laipeng, TAN Zhanqiu, XIONG Dingbang, FAN Genlian, LI Zhiqiang, ZHANG Di

(State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

This paper reviewed the recent progresses on the interface control in carbon nanotubes reinforced aluminum matrix composites (CNT/Al), including surface modification of CNTs, alloying of Al matrix, and the optimization and control of the fabrication technologies. The present research still has certain limitations, for example, lack of design and control of coating size and distribution, inefficiency of CNTs reinforcement effect. In order to fulfill the application and performance requirements of CNT/Al composites, special approaches need to be developed to realize the nano-level surface modification of CNTs, such as local decoration of CNTs surface, and optimization design of composite configuration. The size and distribution of nanoparticles should be finely and effectively controlled to obtain an ideal CNT/Al interface and improve reinforcement efficiency of CNTs.

carbon nanotubes; aluminum matrix composites; surface modification; interface control; interfacial reaction

2015-11-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51131004,51071100,51001071,51401123); 科技部“973”計劃項(xiàng)目(2012CB619600);國家“863”項(xiàng)目(2012AA030311)

鄢來朋，男，1989年生，碩士研究生

李志強(qiáng)，男，1973年生，研究員，博士生導(dǎo)師， Email：lizhq@sjtu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.12.10

李志強(qiáng)

TB383.1

A

1674-3962(2016)12-0943-07