CNTs／AZ91碳納米管鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)研究

楊耀華，潘 強(qiáng)，陳廣軍，宋書洋，張金彪，馬廣龍

（1.蘭州市蘭石能源裝備工程研究院，甘肅蘭州730314；2.輝門東西（青島）活塞有限公司，山東 青島266000；3.蘭州蘭石集團(tuán)蘭駝農(nóng)業(yè)裝備有限公司，甘肅蘭州730314）

CNTs／AZ91碳納米管鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)研究

楊耀華1，潘 強(qiáng)1，陳廣軍1，宋書洋2，張金彪3，馬廣龍1

（1.蘭州市蘭石能源裝備工程研究院，甘肅蘭州730314；2.輝門東西（青島）活塞有限公司，山東 青島266000；3.蘭州蘭石集團(tuán)蘭駝農(nóng)業(yè)裝備有限公司，甘肅蘭州730314）

采用攪拌鑄造法制備碳納米管鎂基復(fù)合材料CNTs／AZ91，測(cè)試復(fù)合材料在鑄態(tài)T4態(tài)和T6態(tài)的力學(xué)性能，并對(duì)材料的微觀組織進(jìn)行觀察和分析。研究了碳納米管的加入對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律以及材料本身成分的影響，特別是鋁含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，從而為生產(chǎn)及科研提供了參考。

碳納米管 鎂基復(fù)合材料 力學(xué)性能 微觀組織

鎂及鎂合金是目前最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，具有高的比強(qiáng)度和比剛度，很好的抗磁性，高的電負(fù)性和導(dǎo)熱性，良好的消震性和切削加工性能［1］。但是在要求強(qiáng)度高的情況下，相比其他復(fù)合材料鎂合金的強(qiáng)度不高，特別是高溫性能較差，塑性成形差，工業(yè)應(yīng)用中無法制作成高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，鑄件成形方法也有局限性，阻礙了鎂合金發(fā)展，大大限制了其應(yīng)用［2］。

碳納米管鎂基復(fù)合材料具有高彈性模量、高強(qiáng)度、高耐磨性能，將會(huì)具有更廣闊的發(fā)展空間，在材料應(yīng)用領(lǐng)域上發(fā)揮更大的作用。因此，研究碳納米管鎂基復(fù)合材料性能、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍、發(fā)掘應(yīng)用潛能是十分必要的。

試驗(yàn)采用攪拌鑄造法制備碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料［3］，測(cè)試復(fù)合材料在鑄態(tài)T4態(tài)和T6態(tài)的力學(xué)性能，并對(duì)材料的微觀組織進(jìn)行觀察和分析，研究材料成分對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

（1）基體材料

基體材料選用AZ91D合金（質(zhì)量為700 g），屬于鑄造鎂合金［4］。其組織材料配比見表1，合金成分見表2。以熔煉1 000 g計(jì)算各成分需要含量。

表1 碳納米管增強(qiáng)AZ91D合金材料配比

（2）增強(qiáng)材料

增強(qiáng)材料選用多壁碳納米管，直徑1 nm。其預(yù)先經(jīng)過HF酸處理，去除表面的氧化物。為了提高碳納米管在金屬熔體中的分散性和潤(rùn)濕性，對(duì)碳納米管進(jìn)行了球磨預(yù)處理，速度135 r／min，時(shí)間 6 h［5］，球磨后表面干凈，為后續(xù)試驗(yàn)準(zhǔn)備。

表2 AZ91D合金成分 w，%

（3）覆蓋劑及保護(hù)氣

CO2＋0.5%SF6（體積比為99∶1）。

1.2 主要設(shè)備

井式電阻爐、球磨機(jī)、壓力機(jī)、金相試樣切割機(jī)、拋光機(jī)、金相鑲嵌機(jī)和金相顯微鏡。

1.3 分析測(cè)試

顯微硬度測(cè)試：用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)試復(fù)合材料的顯微硬度，載荷100 g加載時(shí)間15 s，每個(gè)試樣取3個(gè)值，如果離散太大則取5個(gè)值，最后求平均值。

掃描電鏡測(cè)試：將試樣拋光并用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，采用掃描電鏡觀察斷面微觀形貌。

1.4 CNTs／AZ91復(fù)合材料的制備

1.4.1 材料熔化及吸鑄

（1）火鉗等工具刷上涂料（氧化鋅溶液）烘干并在200℃下預(yù)熱。

（2）將預(yù)先刷過涂料的坩堝預(yù)熱到500℃，在坩堝底部撒上2 g覆蓋劑。

（3）依次放入AZ91合金、鎂錠（放入之前先用毛刷去除表面的氧化層）。

（4）升溫熔煉，當(dāng)熔體溫度達(dá)到700℃時(shí)，加入精煉劑，進(jìn)行精煉。精煉完成后除去熔體表面氧化渣。

（5）靜置2 min后，邊攪拌邊加入碳納米管預(yù)制塊，加料結(jié)束后再攪拌1 min。

（6）測(cè)量熔體溫度并吸鑄，吸鑄溫度為640℃。

以上過程中如果發(fā)現(xiàn)熔體燃燒，應(yīng)及時(shí)撒覆蓋劑，并通CO2和SF6保護(hù)氣體［6］。重復(fù)以上步驟，直到完成所有材料的熔煉。

1.4.2 后續(xù)熱處理

復(fù)合材料的后續(xù)處理包括T4固溶處理和T6人工時(shí)效，固溶處理溫度為415℃，保溫12 h，固溶之后再對(duì)部分試樣進(jìn)行人工時(shí)效處理，時(shí)效溫度為175℃，時(shí)效24 h。在以上的過程中，應(yīng)當(dāng)用鋁箔把試樣包裹起來，防止試樣表面氧化。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意讓材料隨爐加熱和冷卻，并且控制加熱升溫和降溫速度，防止材料突然遇熱或遇冷而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力裂紋［7］。

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

將試樣棒料加工成為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（長(zhǎng)徑比為5∶1），見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

性能分析如下：

（1）在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能。主要測(cè)試抗拉強(qiáng)度、彈性模量、延伸率和斷面收縮率，設(shè)置標(biāo)距為40 mm，應(yīng)變速度1 mm／min，彈性階段控制力為50.0 N／s，塑性階段為 80.0 N／s，所測(cè)彈性模量為拉伸曲線彈性階段值。

（2）在顯微硬度機(jī)上測(cè)試復(fù)合材料的顯微硬度。載荷100 g加載時(shí)間15 s，每個(gè)試樣取3個(gè)值，如果離散太大（偏離10%）則取5個(gè)值，最后求平均值。

（3）拋光試樣并用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，然后在金相顯微鏡下對(duì)復(fù)合材料顯微組織進(jìn)行觀測(cè)［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見表3。

2.2 碳納米管對(duì)力學(xué)性能的影響

AZ91加碳納米管的拉伸曲線見圖2。比較經(jīng)過固溶處理的AZ91和加入碳納米管的AZ91，可以發(fā)現(xiàn)，加入碳納米管后材料強(qiáng)度有所提高，然而塑性卻下降了。其抗拉強(qiáng)度由原來的153.27 MPa上升到176.36 MPa，而延伸率則由4.70%下降到 4.00%。

表3 吸鑄法CNT復(fù)合材料固溶時(shí)效后拉伸試驗(yàn)

圖2 AZ91加碳納米管的拉伸曲線

2.3 鋁含量對(duì)力學(xué)性能影響

用攪拌鑄造法把碳納米管加入鎂合金熔體。將試樣棒料加工成為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（長(zhǎng)徑比為5∶1）進(jìn)行試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同鋁含量的拉伸曲線見圖3。隨著鋁含量增加材料的抗拉強(qiáng)度有所下降，然而其彈性模量卻大大提高，當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到11%時(shí)，其彈性模量高達(dá)94.5 MPa，為原始AZ91的2倍，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2.4 熱處理工藝對(duì)力學(xué)性能影響

熱處理工藝對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度有很明顯的影響作用，其共同規(guī)律為：經(jīng)過T4固溶后材料的抗拉強(qiáng)度有所提高，經(jīng)過T4固溶和T6時(shí)效之后，材料的抗拉強(qiáng)度比原始狀態(tài)有所提高，而比起T4態(tài)有所下降（見圖4至圖6）。

圖3 不同鋁含量的AZ91拉伸曲線

圖4 AZ101拉伸曲線

圖5 AZ111拉伸曲線

從圖6彈性模量的比較中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁含量增加時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量有所提高，而熱處理則使材料的彈性模量有所下降，其中鋁含量越高，熱處理的影響越明顯。碳納米管的加入使材料的彈性模量有所提升。

圖6 彈性模量比較

2.5 顯微硬度分析

不同材料的顯微硬度分析見表4。

表4 硬度統(tǒng)計(jì)HV

通過表4可以發(fā)現(xiàn)：

（1）經(jīng)過時(shí)效之后硬度有所提高，而固溶后硬度變化不是很明顯。

（2）加入碳納米管之后硬度有所提升，這主要是因?yàn)樘技{米管有細(xì)化晶粒的作用。

（3）固溶后硬度變化規(guī)律不是很明顯，理論上經(jīng)過固溶之后硬度會(huì)有所降低。

（4）鋁含量的增加也會(huì)提升材料硬度，這是因?yàn)殇X含量增加，β相也相應(yīng)增加，形成了更多的第二相，因此硬度相應(yīng)上升。

2.6 微觀組織觀察與分析

不同材料的掃描電鏡圖見圖7至圖11。

圖7 AZ91D鑄態(tài)

通過觀察圖7和圖8比較發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過固溶處理之后原來分布于晶界的β相溶入到鎂基體當(dāng)中，晶界變得比較明顯，但是晶粒有所長(zhǎng)大，組織變得均勻致密。這表明固溶處理工藝合理，成功地把第二相熔解到鎂基體中，起到了固溶強(qiáng)化的作用。

圖8 AZ91D固溶態(tài)

圖9 AZ91D＋1%CNT鑄態(tài)

圖10 AZ91D＋1%CNT 415℃固溶

圖11 AZ91D＋1%CNT（415℃固溶＋175℃時(shí)效）

比較圖8和圖10可以發(fā)現(xiàn)：加入碳納米管后材料的顯微組織細(xì)化，晶粒尺寸變小，這表明碳納米管有細(xì)化晶粒的作用。同時(shí)比較圖7和圖9可以發(fā)現(xiàn)：在鑄態(tài)條件下碳納米管對(duì)組織的影響不是很大，這主要是因?yàn)樘技{米管和第二相混雜在一起，對(duì)鎂基體強(qiáng)化作用不是很明顯。

比較圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)：固溶時(shí)效之后β相從晶界析出變成團(tuán)聚狀，材料中的缺陷變少，而且晶粒有變大的趨勢(shì)，這表明時(shí)效的工藝方法是合理的。如果時(shí)效時(shí)間變長(zhǎng)，則晶粒會(huì)長(zhǎng)得更大，溫度升高也會(huì)促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大。

通過觀察比較發(fā)現(xiàn)經(jīng)過T4固溶處理后，復(fù)合材料晶粒組織由細(xì)小、均勻的等軸晶組成，晶界處的離異共晶β相和二次相消失。在鎂合金顯微組織中，金屬間化合物為Mg17Al12，屬于硬質(zhì)相，主要分布在晶界處，在固溶處理的過程中，金屬間化合物Mg17Al12幾乎全部溶到鎂基體中，形成了單相的過飽和α-Mg相固溶體，并且晶界變細(xì)，成規(guī)則線狀分布，晶粒組織成均勻的等軸晶分布［9］。等軸晶的出現(xiàn)和硬質(zhì)β相溶解形成的固溶強(qiáng)化，能大大提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和韌性，而材料的剛度和硬度則下降，這和前面的結(jié)論是一致的。所以，經(jīng)過固溶處理后，其抗拉強(qiáng)度和延伸率提高，而彈性模量和顯微硬度則有所下降。

在鑄態(tài)組織中，大部分碳納米管分布在晶界的離異共晶和二次相處，固溶處理之后，一部分碳納米管隨著金屬間化合物在鎂基體中溶解，均勻溶入到過飽和α-Mg固溶體中形成網(wǎng)格狀分布，起到強(qiáng)化晶粒的作用［10］。

從微觀組織中還可以發(fā)現(xiàn)晶界處有許多黑色物質(zhì)存在，這是由于碳納米管過量導(dǎo)致其在晶界處形成大量偏聚，經(jīng)過固溶處理后，偏聚的碳納米管未能和金屬化合物一起溶解，這些團(tuán)聚的碳納米管降低復(fù)合材料的致密度，從而影響力學(xué)性能。過多的黑色物質(zhì)是腐蝕過度，造成晶界燒損而造成的。

3 結(jié) 論

（1）碳納米管的加入能提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。加入碳納米管后，不管是鑄態(tài)還是經(jīng)過處理的T4態(tài)和T6態(tài)，其抗拉強(qiáng)度和硬度都有所提高。

（2）選擇合理的熱處理工藝處理。經(jīng)過T4和T6處理之后，復(fù)合材料的力學(xué)性能有所提升。

（3）鋁含量能嚴(yán)重影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此為了獲得高性能復(fù)合材料就要嚴(yán)格控制鋁的含量，但是如果想要達(dá)到高的彈性模量，則鋁含量要高一些。

（4）碳納米管能明顯細(xì)化復(fù)合材料微觀組織。鑄態(tài)時(shí)，碳納米管主要分布在離異共晶體和二次相中，起到強(qiáng)化晶界作用，T4態(tài)時(shí)碳納米管主要分布在等軸晶組織中的晶界和過飽和固溶體中，起強(qiáng)化作用；T6態(tài)時(shí)碳納米管有部分析出在晶界，可以起到強(qiáng)化晶界的作用。

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Study on Mechanical Property and Microstructure of Magnesium Matrix Composites by Carbon Nanotubes CNTs／AZ91

Yang Yaohua1，Pan Qiang1，Chen Guangjun1，Song Shuyang2，Zhang Jinbiao3，Ma Guanglong1
1.Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Institute Co.，Ltd.，Lanzhou 730314，China；2.Federal-Mogul Dongsuh（Qingdao）Piston Co.，Ltd.，Qingdao 266000，China；3.Lanzhou Lanshi Group Lantuo Agricultural Equipment Co.，Ltd.，Lanzhou 730314，China）

Magnesium matrix composite by carbon nanotubes CNTs／AZ91 was prepared by stirring casting method.The composite mechanical property was tested in cast condition of T4 and T6，and composite microstructure was observed and analyzed.The influence of carbon nanotubes on composite mechanical property and composite material was studied，especially for the influence of aluminum content on composite mechanical property，which provided a reference for the production and scientific research.

carbon nanotubes，magnesium matrix composite，mechanical property，microstructure

2017-06-09；修改稿收到日期：2017-09-20。

楊耀華（1988—），碩士研究生，主要從事材料研發(fā)、機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。

潘強(qiáng)（1987—），大學(xué)本科，主要從事材料研發(fā)、機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail：1294930648＠qq.com

（編輯 張向陽）