體育器材用CNT/2024Al復合材料的制備及性能研究

楊 磊

(西安醫(yī)學院, 陜西西安710021)

近年來，隨著設備制造、交通運輸、體育器材、能源等工業(yè)領域的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)越來越難以滿足日益苛刻的要求，對新型材料需求越來越旺盛[1]，其中輕質(zhì)、高強、高可加工性新材料更是受到了體育行業(yè)的青睞[2]。Al 基復合材料擁有高比強度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)和良好的導熱、高阻尼性能以及熱學性能穩(wěn)定等獨特的優(yōu)勢，不僅可以滿足現(xiàn)代民生工業(yè)的需求，也是國防、航空、航天等高技術領域不可缺少的關鍵結(jié)構材料和功能材料[3]。因此，開展Al 基復合材料的研究，對提高我國的體育器材及民生工業(yè)水平都具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟價值[4]。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

實驗材料選擇霧化法制備的球形Al 粉，其平均直徑約為13μm，純度為99.5%。CNT 為多壁碳納米管，直徑為30 nm～50 nm，長度大于10μm。試驗制備的復合材料以2024Al 為基體，具體化學成分：Cu 占比4.5%，Mg 占1.5%，其余成分為Al?；瘜W鍍Cu 后的CNT、未經(jīng)處理的 CNT、Al 粉、Cu 粉、Mg 粉[5]。

1.2 實驗過程

為使Al 粉獲得較大比表面積，從而增加CNT 與Al粉表面接觸機率，有利于CNT 的分散使用設備為1SP-12型行星式球磨機，具體操作是先將粒徑約為13μm 的Al粉放入球磨罐中，球料比約為10:1，轉(zhuǎn)速約為400r/min，球磨2h，為了避免發(fā)生嚴重的冷焊現(xiàn)象同時加入1.5%的硬脂酸[6]。

將0%、1%、2%、3%（質(zhì)量分數(shù)）的CNT、上述Al 粉和Mg 粉以2024Al 為基體粗混后進行球磨混料，其中Cu 元素已經(jīng)按比例涂覆到CNT 表面，無需另外添加?；炝显O備為行星式研磨機，為了避免冷焊加入0.5%的硬脂酸，球磨4h，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速為大約150r/min。

最后利用粉末冶金法制備CNT/2024Al 復合材料。首先將爐內(nèi)真空抽到5×10-2Pa。溫度從室溫升溫到400℃，然后保溫1h，這步操作的目的是為了讓球磨和混料過程中的硬脂酸得到充分揮發(fā)。繼續(xù)升溫到540℃，保溫20min 后用千斤頂加壓至理論高度，保溫1h 后爐冷，退掉模具，進行熱鍛壓處理變成約Φ90mm×90mm 的餅狀，鍛壓比約為4:1，熱鍛的方法能改善材料的組織和力學性能，消除氣孔、縮孔等缺陷[7]。

1.3 CNT/2024Al 復合材料的制備

經(jīng)過球磨Al 粉、球磨混合粉末、冷壓、熱壓、熱鍛、固溶處理、時效處理七個階段制備出7 種不同質(zhì)量分數(shù)的CNT/2024Al 復合材料。為描述方便把經(jīng)化學鍍Cu 的CNT 標注為Cu@CNT，樣品編號列表見表1[8]。

表1 樣品編號Table 1 The number of specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 球磨后粉末的形貌變化

圖1 為原始Al 粉末和轉(zhuǎn)速為400r/min、球磨2h 后Al 粉的SEM 掃描圖片。如圖1(a) 所示，經(jīng)統(tǒng)計試驗提供的噴霧法制備的原始Al 粉末粒徑＜13μm；如圖1(b)所示，經(jīng)過高能球磨處理后，在磨球的剪切作用下很大一部分Al 粉塑性變形發(fā)生微鍛顆粒已經(jīng)變成扁平片狀，厚度變?yōu)閬單⒚准墸珹l 粉的體表面積大大增加了[9]。

圖1 Al 粉形貌:(a) 原始;(b)球磨后Fig. 1 The Al powder morphology: (a) original; (b) after ball milling

2.2 CNT/2024Al 復合材料的微觀結(jié)構觀察

圖2 (a)、(b)、(c) 分別是CNT 含量為1%、2%、3%復合材料的微觀結(jié)構，圖(d)、(e)、(f)是Cu@CNT 含量為1%、2%、3% 的2024Al 復合材料的微觀結(jié)構圖。由圖可知有關CNT 在復合材料中的分布情況: 當CNT 含量為1%、2%時，絕大多數(shù)的CNT 都嵌入晶粒內(nèi)部中，并且在復合材料中呈現(xiàn)良好的分散性[10]，如圖2(a)、(b)、(d)、(e) 所示。當CNT 含量達到 3% 時，CNT 在復合材料中分散相比CNT 含量為1%、2% 時并不均勻，CNT出現(xiàn)比較嚴重的團聚，如圖2(c)、(f) 中箭頭所示。說明通過化學鍍Cu 和球磨方法制備的復合材料中CNT 只有在一定的范圍內(nèi)才可以均勻分散在基體中，當超出了這個范圍CNT 就會發(fā)生團聚的情況，復合材料的力學性能提升并不明顯。

圖2 CNT/2024Al 和 Cu@CNT/2024Al 復合材料的 TEM 照片:無Cu 涂覆的CNT 的含量分別為(a)%、(b)2%和(c)3%；Cu@CNT 的含量分別為(d)1%、(e)2%和(f)3%Fig. 2 The TEM photos of CNT/2024Al and Cu@CNT/2024Al composites

圖3 所示為具有代表性的質(zhì)量分數(shù)為2%CNT/2024Al 復合材料的的TEM 圖，其中（a）為未經(jīng)過化學鍍處理的CNT/2024Al 復合材料，（b）為Cu@CNT/2024Al 復合材料。從圖中可以看到，CNT 的分布方向沿著擠壓變形方向的垂直方向，大部分分布在晶粒內(nèi)部，少數(shù)的則分布在晶界處，這種分布可以使CNT 在拉伸過程中承受拉應力，體現(xiàn)了CNT 增強體的作用[11]。同時可看到復合材料基體中出現(xiàn)了少量的界面反應物Al4C3，如圖3（a）中所示，這是由于在球磨過程中CNT 表面遭到破壞從而與基體中的Al 粉發(fā)生了反應形成的脆性相，但是界面反應物Al4C3數(shù)量不多，對復合材料的性能影響很小。還發(fā)現(xiàn)有析出相Al2Cu，如圖3（b）中所示。

圖3 CNT 為2%的復合材料中CNT 的形貌TEM 圖Fig. 3 Morphology TEM diagram of CNT in composites with CNT of 2%

3 結(jié)論

采用球磨法對不同質(zhì)量分數(shù)的CNT 與2024Al 粉末進行了混粉處理，用真空熱壓工藝制備了CNT/2024Al復合材料。對制備的復合材料進行了拉伸斷口SEM 和復合材料TEM 觀察。微觀組織觀察表明，質(zhì)量分數(shù)為1%和2% 的CNT/2024Al 復合材料中CNT 都能夠均勻地分散到基體合金中。大部分CNT 均勻分散在晶粒內(nèi)部，少部分在近晶界處，但是當CNT 質(zhì)量分數(shù)為3% 時，在復合材料中CNT 的分布不再均勻，出現(xiàn)了比較明顯的團聚；在復合材料中發(fā)現(xiàn)的Al4C3脆性相并不多，所以對復合材料的性能影響不大。