CNTs含量對CNTs/Al微觀組織及力學(xué)性能的影響

龐 秋，胡志力，谷萬里，吉國強(qiáng)，孫東立

(1.武漢東湖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430212；2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，武漢 430070；3.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；4.中國廣州分析測試中心，廣州 510070；5.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

隨著現(xiàn)代工業(yè)特別是航空航天和汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化是未來發(fā)展的重要趨勢.實現(xiàn)輕量化的主要途徑是采用鋁合金、高強(qiáng)鋼和碳纖維等輕量化材料.納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是近十年迅速發(fā)展起來的一種新型材料[1-3].由于納米分散相具有大的表面積和強(qiáng)的界面相互作用，納米復(fù)合材料表現(xiàn)出不同于一般宏觀復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性能，還可能具有原組分不具備的特殊性能和功能[4].因此，納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的材料之一.

碳納米管(CNTs)作為一種自組裝單分子材料，具有獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的理化性能，其抗拉強(qiáng)度約為高強(qiáng)鋼的100倍，密度僅為鋼的1/6～1/7；同時，CNTs 還具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、低的熱膨脹系數(shù)、良好的熱穩(wěn)定性和耐蝕性而成為納米科技領(lǐng)域的研究熱點[5-6]，被認(rèn)為是制備高性能復(fù)合材料的理想增強(qiáng)相之一.目前，北美[7]、歐盟[8]、亞洲[9]等國家和地區(qū)都投入了大量的資金對CNT/Al復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的研究，例如：鄧春鋒等[10]以2024Al合金為基體，采用熱擠壓方法結(jié)合冷等靜壓制備了WCNT/Al復(fù)合材料,研究結(jié)果表明,當(dāng)碳納米管體積分?jǐn)?shù)為2.1%時，WCNT/Al復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，與基體材料相比，其硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了33.0%、34.6%和 39.7%.許世嬌等[11]采用高能球磨法結(jié)合粉末冶金工藝制備了CNT/Al復(fù)合材料,結(jié)果發(fā)現(xiàn),CNT體積分?jǐn)?shù)1.5%時，復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最高值，屈服強(qiáng)度相對于純Al基體提高了53.6%.Bastwros等[12]利用高能量球磨結(jié)合冷熱擠壓工藝制備CNT/Al復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的摩擦磨損性能,結(jié)果表明,添加適量CNT后，復(fù)合材料的硬度和耐磨性顯著增加,與純鋁相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的CNT/Al復(fù)合材料磨損率降低了78.8%.Laha等[13]采用等離子噴涂工藝制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的CNT增強(qiáng) 6061Al 復(fù)合材料,與基體6061Al合金材料相比，復(fù)合材料的硬度明顯提高，其硬度達(dá)到(146±10)VHN.然而，目前大部分研究存在較大技術(shù)難題是：由于CNTs具有較高比表面能，如何將嚴(yán)重團(tuán)聚CNTs均勻分散在金屬基體中；同時，如何解決低表面活性CNTs與金屬基體的潤濕性問題，達(dá)到與基體的牢固結(jié)合.同時，研究只針對CNT/Al復(fù)合材料的單一性能進(jìn)行，缺少系統(tǒng)全面的性能分析.

本文預(yù)先采用超聲波對纏繞的CNTs進(jìn)行分散，然后利用機(jī)械球磨-真空熱壓工藝制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs/Al復(fù)合材料.采用SEM等顯微觀測手段研究CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)對CNTs/Al復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)的影響，并利用電子萬能試驗機(jī)和萬能摩擦磨損實驗機(jī)對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能及其摩擦磨損性能進(jìn)行了分析.

1 實 驗

1.1 CNTs 的純化及分散處理

采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備試驗所用的多壁碳納米管，管徑60～100 nm，純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于95%，比表面積大于60 m2/g，圖1所示為CNTs的原始形貌.首先，為去除CNTs中混合的碳相及催化劑顆粒等雜質(zhì)，對多壁碳納米管進(jìn)行純化處理.取一定量的原始碳納米管，加入濃度2 mol/L的NaOH溶液，超聲處理1 h后，在磁力攪拌器上加熱并冷凝回流2 h，用去離子水洗滌至中性.然后，對CNTs進(jìn)行分散處理，將CNTs置于100 mL的乙醇溶劑中，用20 kHz、3 000 W超聲分散 30 min，并加熱回流 1 h，再用去離子水洗滌至中性.最后，100 ℃真空干燥2 h.

圖1 CNTs形貌及XRD譜圖

Fig.1 Morphologies and XRD spectrum of CNTs: (a) Morphology of original CNTs; (b) CNTs after ultrasonic dispersion 30 min; (c) XRD spectrum of CNTs

圖1給出了超聲波分散前后CNTs的SEM照片(已經(jīng)進(jìn)行了純化處理).圖1(a)為CNTs的微觀原始形貌，可以看出，純化處理后去除了與CNTs纏繞的雜質(zhì)，初始CNTs較長，管壁均勻光滑，呈纖維狀一維管狀結(jié)構(gòu)分布，彼此相互纏結(jié)、團(tuán)聚且有一定的彎曲.圖1(b)為無水乙醇中超聲分散30 min后的照片，可以看出，超聲波振蕩對CNT沒有明顯的損傷，CNTs的長度沒有變化，CNTs仍然保持完整管壁結(jié)構(gòu)，壁厚均勻，CNTs中纏結(jié)的部分有所改善，團(tuán)簇已有打開的趨勢.圖1(c)為超聲波分散30 min后的碳納米管X射線衍射譜圖，可以看出，碳納米管的主要衍射峰出現(xiàn)在衍射角(2θ)為 25.83°處，其衍射峰對應(yīng)的晶面指數(shù)分別為(002)、(100)晶面，這與文獻(xiàn)[10]中給出的碳納米管XRD譜圖相一致.

1.2 機(jī)械球磨制取CNTs/Al復(fù)合粉末

采用南京大學(xué)儀器廠生產(chǎn)的QM-ISP4-CL型球磨機(jī)，利用瑪瑙球在干磨和濕磨(乙醇介質(zhì))2種狀態(tài)下對CNTs進(jìn)行預(yù)球磨，以氬氣為保護(hù)氣氛，球磨轉(zhuǎn)速400 r/min，球磨時間1 h.然后，將預(yù)球磨好的CNTs按照適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.0%、2.0%、3.0%和4.0%)混合到裝有鋁粉的瑪瑙罐中，采用氬氣作為保護(hù)氣體防止高速球磨過程中鋁粉表面氧化.CNTs和鋁粉混球磨轉(zhuǎn)速300 r/min，球磨時間1 h，球料比為5∶1.

1.3 真空熱壓燒結(jié)制備CNTs/Al復(fù)合材料

稱取一定量樣品(40 g)裝入ZRY-30L真空熱壓燒結(jié)爐的石墨模具中，燒結(jié)前利用電子萬能實驗機(jī)對模具中的粉末進(jìn)行預(yù)壓.然后，將樣品放入真空熱壓燒結(jié)爐中，采用真空泵將爐內(nèi)抽至真空，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，將樣品進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度600 ℃，升溫速度10 ℃/min，保溫時間20 min.利用阿基米德原理測量樣品的相對密度.

采用飛利浦公司生產(chǎn)的FEI Siron200掃描電鏡(SEM)分別對 CNTs/Al復(fù)合材料及拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察.利用HV-5維氏硬度計對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs/Al復(fù)合材料的表面硬度進(jìn)行測量，條件為載荷3 000 g，加載時間10 s，每個試樣測量3次求取算術(shù)平均值.力學(xué)性能測試在CSS-88000電子萬能拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸測試，應(yīng)變速率0.5 mm/min.拉伸試樣的標(biāo)距26 mm，拉伸試樣的形狀與尺寸如圖2所示，厚度5 mm.同時，利用銷-盤接觸式摩擦磨損實驗機(jī)對CNTs/Al復(fù)合材料表面耐磨性能進(jìn)行測試.

圖2 拉伸試驗樣品尺寸及實物圖(單位：mm)

Fig.2 Sample dimension of tensile test and picture of real product

2 結(jié)果與討論

2.1 干磨和濕磨(乙醇)介質(zhì)對CNTs形貌的影響

圖3為瑪瑙球干磨和濕磨2種介質(zhì)對CNTs進(jìn)行預(yù)球磨400 r/min +1 h的SEM照片.

圖3 瑪瑙球球磨400 r/min +1 h后CNTs形貌

Fig.3 Morphologies of CNTs after ball-milling with agate balls at 400 r/min for 1 h: (a) dry ball-milled; (b) wet ball-milled

對比可以發(fā)現(xiàn)：球磨介質(zhì)對CNTs的切斷效果差異較大，瑪瑙球干磨時CNTs的切斷比較明顯，長短較均勻一致，并且其彎曲和纏結(jié)的管部被明顯解開，如圖3(a)所示,然而，濕磨時可能由于乙醇介質(zhì)浸潤C(jī)NTs表面，使得CNTs的柔韌性及彈性增加，因而不利于碳管發(fā)生切斷，如圖3(b)所示.結(jié)果表明，采用瑪瑙球?qū)NTs進(jìn)行干磨比較適宜[14].

2.2 CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料形貌的影響

圖4所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs/Al復(fù)合材料的形貌照片.

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs/Al復(fù)合材料形貌

Fig.4 SEM morphologies of CNTs/Al composites with different mass fractions of CNTs

由圖4可以看出：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的CNTs樣品中,增強(qiáng)相CNTs與鋁基體分布相對均勻，樣品表面未出現(xiàn)大塊團(tuán)聚的CNTs，但樣品表面存在微小孔洞，如圖4(a)所示；質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的CNTs/Al 復(fù)合材料樣品致密，表面組織較光滑，復(fù)合材料中CNTs與超細(xì)鋁粉之間表現(xiàn)出較好的相容性，CNT幾乎全部嵌入到韌性的Al粉中，沒有發(fā)現(xiàn)碳管露頭現(xiàn)象，很難分辨出CNTs的存在，如圖4(b)所示；當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3.0%時，CNTs與鋁基體之間相容性變差，少許的CNT零散地分布在樣品表面，如圖4(c)所示；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.0%的CNTs添加到鋁基體時，SEM照片顯示，CNTs存在一定的團(tuán)聚與纏結(jié)現(xiàn)象且表面孔洞增多[15]，容易導(dǎo)致裂縫形成，如圖4(d)所示.

2.3 CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.3.1 CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料密度和硬度的影響

圖5所示為CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料相對密度和硬度的影響曲線.

圖5不同CNTs含量CNTs/Al復(fù)合材料相對密度和硬度的曲線

Fig.5 Curves of relative density and hardness of CNTs/Al composites with different CNTs contents: (a) relative density; (b) hardness

從圖5(a)可以看出，純鋁的相對密度為99.32%，添加適量的CNTs(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2.0%)，CNTs/Al復(fù)合材料的相對密度呈平緩遞減趨勢.當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%時，復(fù)合材料相對密度達(dá)到最大值99.13%，比純鋁基體稍低些.隨著CNTs含量進(jìn)一步增加，CNTs/Al復(fù)合材料的相對密度曲線迅速下滑.這可能由于CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%時CNTs團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，使得CNTs與鋁基體之間相容性降低，CNTs/Al復(fù)合材料相對密度也降低.

從圖5(b)中可知:隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加至4%，CNTs/Al復(fù)合材料的硬度曲線遵循先增加后降低的變化規(guī)律;當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，復(fù)合材料硬度達(dá)到最大值65 kg/mm2.這一方面可能由于添加適當(dāng)?shù)腃NTs，使得增強(qiáng)相CNTs能夠均勻地分散在Al基體中，復(fù)合材料中的孔洞能夠被CNTs填充，有效提高了復(fù)合材料的致密度;另一方面，由于碳納米管本身具有優(yōu)異的力學(xué)性能，碳納米管與基體之間界面結(jié)合較好，從而使CNTs/Al復(fù)合材料的硬度明顯提高.

但是，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多(≥3.0%)，復(fù)合材料的硬度下降(如圖5(b)所示).這是由于復(fù)合材料中CNTs出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，而孔隙等組織缺陷容易在CNTs團(tuán)聚體處出現(xiàn)，使得復(fù)合材料的硬度下降.

2.3.2 CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表1給出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs/Al復(fù)合材料與純Al材料力學(xué)性能的對比.從表1可以看出，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，CNTs/Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先增加后降低.當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，分別為245和116 MPa.這是由于在一定的CNT含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2.0%)內(nèi)，CNTs與鋁基體的相容性、界面潤濕性較好，CNT能夠得到充分的分散，對鋁基體起到良好的強(qiáng)化效果.但是，當(dāng)CNTs含量超過臨界體積分?jǐn)?shù)后，過量的CNTs在基體中發(fā)生偏聚使其分布不均勻，將會導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能降低.

然而，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，復(fù)合材料的彈性模量明顯提高.這是由于CNTs的彈性模量較高(103GPa)，CNTs的加入導(dǎo)致復(fù)合材料的彈性模量高于基體合金，如表1所示.另外，CNTs也可能通過阻礙位錯運(yùn)動而提高復(fù)合材料的彈性模量[16].同時，與純鋁樣品相比，隨著CNTs含量增加，CNTs/Al復(fù)合材料的延伸率明顯降低，例如：含CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%和2.0%的復(fù)合材料延伸率分別只有5.2%和4.3%，研究結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)相一致[11].一方面，由于隨著增強(qiáng)體(CNTs)含量增加，CNTs在鋁基體內(nèi)分散性較差，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，許多組織缺陷，包括孔隙、疏松等容易出現(xiàn)在CNTs團(tuán)聚處[17]；另一方面，由于CNTs含量增加，大量的碳化鋁脆性相生成使復(fù)合材料的延伸率下降[18]，這方面今后將進(jìn)行進(jìn)一步研究.

表1純Al和不同CNTs含量CNTs/Al復(fù)合材料材料力學(xué)性能對比

Table 1 Comparison of mechanical properties of pure Al and CNTs/Al composite with different CNTs contents

Samplesσb /MPaσs /MPaE/GPaδ/%Pure Al85±1065±573±513.7±0.51%CNTs/Al168±888±677±35.2±0.52%CNTs/Al245±8116±397±54.3±0.33%CNTs/Al186±1096±598±35.9±0.54%CNTs/Al155±1073±5100±52.7±0.5

2.3.3 CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)對CNTs/Al復(fù)合材料斷口形貌的影響

圖6為純Al和質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的CNTs/Al復(fù)合材料拉伸斷口的SEM形貌.

圖6 純Al和1%的CNTs/Al復(fù)合材料的拉伸斷口形貌

Fig.6 Tensile fracture morphologies of (a) pure Al and (b) 1wt.% CNTs/Al composites

從圖6(a)可觀察到，純Al拉伸斷口呈現(xiàn)明顯的韌窩，表明純Al具有塑性斷裂特征.與純Al材料相比，加入CNTs后，其拉伸斷口形貌明顯不同.從圖6(b)中可以發(fā)現(xiàn)：CNTs均勻分散在鋁基體中，沒有看到CNTs團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，且彼此不粘連；同時，CNTs/Al復(fù)合材料中未出現(xiàn)裂紋，拉伸斷口處存在深度較淺的圓形韌窩，說明CNTs/Al復(fù)合材料的斷裂機(jī)制仍是以微孔聚積的方式發(fā)生破壞.

圖7為含CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～4%的增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸斷口形貌.從圖7可知，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的CNTs試樣有較好的韌性和延展性，其拉伸斷口處幾乎布滿圓形深韌窩，CNTs相對均勻彌散地分散在斷口上，且出現(xiàn)了部分CNTs的橋接和拔出，如圖7(a)所示.這是由于CNTs很細(xì)小,且具有良好的力學(xué)性能，拉伸斷裂過程中CNTs的剝離引起斷口處出現(xiàn)大量圓形韌窩.試驗結(jié)果表明，鑲嵌在復(fù)合材料中的2.0%CNTs對鋁基體起到復(fù)合強(qiáng)化的作用，使得復(fù)合材料具有很好的韌性.

圖7不同CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)時CNTs/Al復(fù)合材料的拉伸斷口形貌

Fig.7 Tensile fracture morphologies of CNTs/Al composites with different CNTs contents

圖7(b)所示為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的CNTs/Al復(fù)合材料斷口分析，與2%CNTs/Al復(fù)合材料相比，斷口處CNTs的橋接和拔出較少，圓形韌窩深度及數(shù)量明顯減少.并且，復(fù)合材料破壞后CNTs的表面光潔度及拔出長度下降，這說明CNTs與鋁基體的結(jié)合強(qiáng)度降低.進(jìn)一步增加CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)至4.0%，發(fā)現(xiàn)斷口形貌中圓形韌窩幾乎消失，如圖7(c)所示.并且部分區(qū)域顏色為黑色，這可能由于該處CNTs發(fā)生纏繞聚集，此時CNTs起不到較好的增強(qiáng)作用.

2.4 CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)對CNTs/Al復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

2.4.1 CNTs/Al復(fù)合材料摩擦系數(shù)-時間曲線

圖8所示為CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1.0%、2.0%的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)-時間曲線.

圖8不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs時CNTs/Al復(fù)合材料的摩擦系數(shù)-時間曲線

Fig.8 Friction coefficient-time curves of CNTs/Al composites with different CNTs contents: (a) pure Al; (b) 1wt.% CNTs/Al; (c) 2wt.% CNTs/Al

從圖8可以看出，摩擦系數(shù)-時間曲線可分為磨合期和穩(wěn)態(tài)磨損兩個階段.加載穩(wěn)定后，純Al樣品的摩擦系數(shù)比CNTs/Al復(fù)合材料摩擦系數(shù)大，如圖8(a)所示.這是因為碳納米管具有良好的自潤滑作用[19]，導(dǎo)致復(fù)合材料的摩擦系數(shù)下降.同時，不同CNTs含量的CNTs/Al復(fù)合材料的摩擦系數(shù)存在較大差異.質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的CNTs/Al復(fù)合材料摩擦系數(shù)先上升后逐漸平穩(wěn)，如圖8(b)所示，這可能由于1.0%CNTs/Al復(fù)合材料樣品表面由于CNTs含量相對較少，在磨合初期，摩擦磨損過程主要是基體鋁與摩擦副進(jìn)行對磨，摩擦系數(shù)呈上升的趨勢，但是與純Al樣品相比，其摩擦系數(shù)仍然略低；在磨合后期試樣的摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn).然而，與純Al和1.0%CNTs/Al復(fù)合材料相比，2.0%CNTs/Al復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較平穩(wěn)，這是由于2.0%CNTs均勻分散在鋁基復(fù)合材料中，復(fù)合材料具由較好的耐磨性，如圖8(c)所示.

2.4.2 CNTs/Al復(fù)合材料的磨損率對比

圖9給出了載荷為1和3 N的穩(wěn)態(tài)磨損下，CNTs/Al復(fù)合材料的磨損率隨CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線.從圖9可以發(fā)現(xiàn)，CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～2%時，CNTs/Al復(fù)合材料呈現(xiàn)出平緩穩(wěn)定的磨損率.這是由于CNTs與Al基體結(jié)合較好，CNTs本身的高強(qiáng)、高韌和自潤滑性能，可以有效抵抗載荷作用下摩擦表面的磨損作用，使得復(fù)合材料的耐磨性提高.然而，當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時，復(fù)合材料的磨損率較高，呈現(xiàn)出直線上升.同時，不同載荷(1和3 N)對CNTs/Al復(fù)合材料的磨損率影響較大,尤其載荷為3 N時，復(fù)合材料的磨損率明顯增加.這可能由于當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時，CNTs團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，使得復(fù)合材料的致密度和硬度降低，其磨損率急劇增大.

圖9不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs時CNTs/Al復(fù)合材料的磨損率變化曲線

Fig.9 Wear rate curve of CNTs/Al composites with different CNTs contents

2.4.3 CNTs/Al復(fù)合材料的磨損表面形貌

圖10所示為純鋁和質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%CNTs/Al復(fù)合材料磨損表面形貌.由圖10可以看出，不含CNTs的純鋁表面磨損現(xiàn)象比較嚴(yán)重，磨痕處基體發(fā)生較大的塑性變形，表明摩擦過程中大量的磨屑從基體中剝落，如圖10 (a)所示；然而，與純Al樣品相比，1.0%CNTs/Al復(fù)合材料磨痕深度變淺，磨損表面呈現(xiàn)出磨粒磨損跡象，表面有明顯的犁溝狀劃痕，如圖10 (b)所示.

圖10 純鋁和1.0%CNTs/Al復(fù)合材料磨損表面形貌

Fig.10 Worn surface morphologies of (a) pure Al and (b) 1wt.% CNTs/Al composites

圖11為質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%和3.0%的CNTs/Al復(fù)合材料磨損表面形貌.從圖11(a)可以看出，CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，復(fù)合材料的磨痕最淺，磨損表面為鱗片狀且有淺顯凹坑，這屬于典型的剝層磨損的磨屑形貌，說明由于CNTs自身具有較好的潤滑性及較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，適量添加CNTs能較好地改善復(fù)合材料的抗開裂能力，可提高CNTs/Al復(fù)合材料的耐磨性.然而，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的CNTs/Al復(fù)合材料相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%CNTs/Al復(fù)合材料的磨損表面存在大量片狀磨屑和裂紋，如圖11(b)所示.這可能由于添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%CNTs時，由于增強(qiáng)體CNTs在鋁基體中發(fā)生團(tuán)聚，應(yīng)力開裂容易產(chǎn)生在團(tuán)聚處，同時，復(fù)合材料致密度降低，進(jìn)一步增加了CNTs/Al復(fù)合材料的磨損率.

圖11 不同CNTs含量CNTs/Al復(fù)合材料磨損表面形貌

Fig.11 Worn surface morphologies of the CNTs/Al composites with different CNTs contents: (a) 2wt.% CNTs/Al; (b) 3wt.% CNTs/Al

3 結(jié) 論

1) CNTs經(jīng)超聲波預(yù)先分散后，分散性增加.當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，復(fù)合材料中CNTs與鋁粉之間表現(xiàn)出較好的相容性.然而，隨著CNTs含量進(jìn)一步增加，CNTs團(tuán)聚現(xiàn)象較嚴(yán)重，且表面孔洞不斷增多，最終導(dǎo)致復(fù)合材料中裂縫的形成.

2) 隨著CNTs含量的增加，CNTs/Al復(fù)合材料的相對密度和強(qiáng)度先增加后降低.質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的CNTs/Al復(fù)合材料的相對密度和硬度達(dá)到最大值99.13%和50.2 HV,并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的CNTs/Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最高值.這表明CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，碳納米管與基體之間界面結(jié)合較好，CNTs起到了明顯強(qiáng)化作用.

3) CNTs/Al復(fù)合材料摩擦磨損性能研究表明：當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，納米復(fù)合材料的磨損表面生成大量的磨屑，并且磨損溝槽也較大;當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到2.0%時，納米復(fù)合材料表面磨屑明顯減少，且磨損表面光滑.