鋁基碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及應(yīng)變率效應(yīng)

王敏潔，沈?qū)⑷A?，陳 彪，近藤勝義，李玉龍

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安710072；2.陜西省沖擊動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072； 3.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安710072；4.大阪大學(xué) 接合科學(xué)研究所，日本大阪茨木567-0047； 5.西北工業(yè)大學(xué) 民航學(xué)院，西安710072)

金屬基復(fù)合材料(MMCs)具有比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫及耐疲勞性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。自1991年首次用透射電鏡發(fā)現(xiàn)碳納米管(CNTs)以來(lái)[1]，因強(qiáng)度高(最高約為100 GPa)、彈性模量高(最高約為1 TPa)、導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好及熱膨脹系數(shù)較低等特性[2]，引發(fā)了科學(xué)界的研究熱潮并成為金屬基復(fù)合材料中最理想的增強(qiáng)相之一。鋁合金因密度小和強(qiáng)度高已被廣泛應(yīng)用于航空航天及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。然而，隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的比強(qiáng)度和比剛度等力學(xué)性能提出了更高的要求，研究者們期望能通過(guò)在金屬材料中摻雜增強(qiáng)相的方式提升材料的力學(xué)性能。作為理想的強(qiáng)化相，CNTs被摻雜到鋁合金中以獲得高性能鋁基復(fù)合材料。1998年，Kuzumaki等[3]首次將多層管壁碳納米管(MWCNTs)添加到鋁基復(fù)合材料中，揭開了CNTs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究的序幕。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁基碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料(CNTs/Al)的研究主要集中在材料的制備過(guò)程、微觀結(jié)構(gòu)及靜態(tài)力學(xué)行為和微觀強(qiáng)化機(jī)制上。如，上海交通大學(xué)Wei等[4-5]參考貝殼等生物材料設(shè)計(jì)了多尺度復(fù)合構(gòu)型，通過(guò)工藝控制制造了性質(zhì)優(yōu)異的CNTs/Al疊層復(fù)合材料，并深入研究了靜態(tài)加載下的微觀變形機(jī)理；西安理工大學(xué)Zhang等[6]和西北工業(yè)大學(xué)Chen等[7]結(jié)合微觀表征對(duì)利用傳統(tǒng)粉末冶金制備的CNTs/Al的增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)行了分析；科學(xué)院金屬研究所Liu等[8-9]利用粉末冶金與后續(xù)攪拌摩擦加工(FSP)相結(jié)合的方法制備了CNTs/2009Al復(fù)合材料，并著重探討了加工過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化對(duì)材料靜態(tài)力學(xué)性能的影響等。

另一方面，航空航天飛行器、汽車及軌道交通工具等在服役過(guò)程中，會(huì)不可避免地遭遇可預(yù)知和不可預(yù)知的沖擊載荷作用，如飛行器著陸、空間碎片撞擊、鳥撞及車輛碰撞等。作為以上述領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用背景的結(jié)構(gòu)材料，鋁基復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)行為和變形失效機(jī)制是確保相應(yīng)結(jié)構(gòu)件安全服役的關(guān)鍵。然而，目前對(duì)CNTs/Al動(dòng)態(tài)加載下的研究還非常欠缺。據(jù)了解， Habibi等[10]對(duì)混雜1%Al-CNTs/Mg材料在靜動(dòng)態(tài)加載下的力學(xué)行為和微觀變形機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)； Yang等[11]研究了CNTs/Al 泡沫復(fù)合材料在靜動(dòng)態(tài)壓縮下的力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)CNTs/Al泡沫復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度與能量吸收均隨CNTs含量和應(yīng)變率的增加而增加，且具有很強(qiáng)的率敏感性； Zhao等[12]對(duì)石墨烯(GNP)增強(qiáng)鋁基層狀復(fù)合材料進(jìn)行了微柱壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，GNP增強(qiáng)效率隨著應(yīng)變率升高而增加； Wang等[13]對(duì)CNTs/Al的動(dòng)靜態(tài)拉伸性能進(jìn)行了分析，加入發(fā)現(xiàn)CNTs不但提高了材料強(qiáng)度，還增加了材料的應(yīng)變率效應(yīng),但該材料在動(dòng)靜態(tài)加載的拉壓力學(xué)性能的對(duì)比卻很少見(jiàn)報(bào)道。

因此，本文利用電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)和Hopkinson桿加載系統(tǒng)對(duì)碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CNTs/Al進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)拉壓力學(xué)性能測(cè)試，并分析了不同加載條件下的力學(xué)行為機(jī)制及CNTs摻雜對(duì)應(yīng)變率效應(yīng)和應(yīng)變硬化的影響。

1材料與實(shí)驗(yàn)

1.1材料制備與微觀表征

實(shí)驗(yàn)試樣以純度為99.9%的純鋁粉末和多壁碳納米管(MWCNTs)為原始材料，通過(guò)粉末冶金方法制備而成。首先，將純鋁粉末與ω=1% 的MWCNTs混合粉末球磨4 h；隨后，對(duì)混合粉末進(jìn)行等離子燒結(jié)和熱擠壓，得到直徑為7 mm的棒狀材料。為進(jìn)行對(duì)比，純鋁試樣的制備亦采用相同工藝路徑，具體工藝參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。球磨后的純鋁粉末、純鋁與CNTs混合粉末的形態(tài)由掃描電子顯微鏡(SEM)觀察得到；擠壓態(tài)試樣的微觀結(jié)構(gòu)由透射電鏡(TEM)觀察得到，包括CNTs形態(tài)、尺寸及在基體中的分布；試樣的晶粒尺寸則由電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)分析得到。

1.2力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)均使用尺寸為Φ5 mm×5 mm的試樣。靜態(tài)拉伸試樣標(biāo)距段尺寸為Φ3 mm×15 mm；動(dòng)態(tài)拉伸試樣標(biāo)距段尺寸為Φ3 mm×5 mm；所有試樣的加載方向與擠壓方向相同。試樣的靜態(tài)加載通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采取壓頭速度控制實(shí)現(xiàn)約5×10-4s-1的應(yīng)變率加載。動(dòng)態(tài)加載采用分離式Hopkinson壓桿和拉桿，真實(shí)應(yīng)變率控制在2 300 s-1左右。根據(jù)1維彈性應(yīng)力波理論，試樣的應(yīng)力、應(yīng)變與加載應(yīng)變率之間的關(guān)系可表示為[15]

(1)

(2)

(3)

其中，εR，εT分別為反射應(yīng)變脈沖和透射應(yīng)變脈沖，二者均通過(guò)應(yīng)變片測(cè)得；C0、E和A分別為加載桿的縱向彈性波波速、彈性模量及試樣的橫截面積；ls,As分別為試樣長(zhǎng)度和試樣標(biāo)距段的橫截面積。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1材料微觀表征

圖1為CNTs/Al的TEM表征圖。由EBSD分析結(jié)果可知，擠壓態(tài)純鋁與CNTs/Al平均晶粒尺寸分別為1.96 μm和1.54 μm。與純鋁相比，CNTs/Al的晶粒尺寸進(jìn)一步減小，表明CNTs有細(xì)化晶粒的作用。通過(guò)對(duì)球磨后的純鋁與CNTs混合粉末進(jìn)行SEM觀察發(fā)現(xiàn)，對(duì)CNTs進(jìn)行高能分散時(shí)，也會(huì)使CNTs發(fā)生斷裂，長(zhǎng)度變短，統(tǒng)計(jì)可知CNTs平均長(zhǎng)度和長(zhǎng)徑比分別為324 nm和25。另一方面，通過(guò)大量TEM實(shí)驗(yàn)觀察可見(jiàn)，CNTs大致平行于擠壓方向；雖然CNTs仍主要集中分布于晶粒邊界，如圖1(a)所示，但也有部分分散于晶粒內(nèi)部，如圖1(b)所示，表明高能球磨對(duì)CNTs的分散有良好的效果。

(a)CNTs distributed in the grain boundaries

(b)CNTs distributed in the grains

2.2材料的力學(xué)性能

圖2為球磨純鋁及CNTs/Al動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。壓縮實(shí)驗(yàn)中，所有材料均為均勻變形且未觀測(cè)到裂紋和失效。在動(dòng)態(tài)壓縮下，材料所達(dá)到的最大應(yīng)變受入射波脈沖寬度控制，為方便對(duì)比觀察，截取30%真實(shí)應(yīng)變之前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；靜態(tài)壓縮加載到真實(shí)應(yīng)變?yōu)?0%后進(jìn)行卸載。

(a)Compression

(b)Tension

由圖2可見(jiàn)，添加CNTs顯著提升了純鋁材料的強(qiáng)度；另外，對(duì)比準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，無(wú)論是壓縮還是拉伸條件下，純鋁和CNTs/Al均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，即試樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度且2種材料的拉伸斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率提高而大幅增加。由圖2(b)可見(jiàn)，除強(qiáng)度和拉伸斷裂應(yīng)變外，純鋁與CNTs/Al在動(dòng)態(tài)加載條件下具有更強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力。

圖3為球磨純鋁及CNTs/Al動(dòng)態(tài)加載下的斷裂圖。

(a)Pure Al

(b)CNTs/Al

由圖3(a)可見(jiàn)，高速攝影可觀察到動(dòng)態(tài)加載下純鋁仍具有非常顯著的頸縮現(xiàn)象；由圖3(b)可見(jiàn)，CNTs/Al則更多表現(xiàn)出均勻變形而無(wú)明顯頸縮的跡象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜CNTs改變了材料的變形失效或斷裂機(jī)制。

3討論

3.1增強(qiáng)機(jī)制討論

由于CNTs的加入，CNTs/Al動(dòng)靜態(tài)加載下的拉壓強(qiáng)度均有了顯著提高。但由于金屬基復(fù)合材料的組分較復(fù)雜，CNTs/Al中可能存在的增強(qiáng)機(jī)制，包括晶粒細(xì)化增強(qiáng)、CNTs引起的位錯(cuò)機(jī)制增強(qiáng)和CNTs載荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)等。

材料制備過(guò)程中高能球磨導(dǎo)致晶粒細(xì)化，同時(shí)分布于基體中的CNTs阻礙晶粒長(zhǎng)大，也起到了細(xì)化晶粒的作用；細(xì)晶材料具有較大的晶界面積來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度的增加[16]。圖4為CNTs/Al復(fù)合材料動(dòng)態(tài)拉伸加載后微觀表征。由圖4(a)和圖4(b)可見(jiàn)，CNTs屬于納米增強(qiáng)相，材料制備過(guò)程中經(jīng)高能球磨長(zhǎng)度又顯著縮短，拉伸試樣斷后CNTs-Al界面處存在大量位錯(cuò)，故CNTs引起的位錯(cuò)增強(qiáng)不可忽略。此外，由于CNTs與基體彈性模量不同，在受到載荷作用時(shí)，為保持在界面處的應(yīng)變協(xié)調(diào)，載荷從基體向CNTs進(jìn)行傳遞，使CNTs承擔(dān)更大的載荷，造成復(fù)合材料強(qiáng)度的提高。在斷口表征中發(fā)現(xiàn)拔出的CNTs證實(shí)了這一機(jī)制的存在，如圖4(c)所示。Chen等[7]曾通過(guò)原位觀測(cè)證實(shí)了CNTs/Al中CNTs的載荷傳遞機(jī)制。由于CNTs優(yōu)異的力學(xué)性能，載荷轉(zhuǎn)移機(jī)制無(wú)疑是最理想的增強(qiáng)機(jī)制，但由于材料制備復(fù)雜，CNTs/Al的強(qiáng)化實(shí)則是多種強(qiáng)化機(jī)制相互作用的結(jié)果。

(b)Inverse FFT of boxed areas in CNTs-Al interface

(c)CNTs pull out

3.2應(yīng)變率效應(yīng)討論

為定量計(jì)算純鋁及CNTs/Al復(fù)合材料在動(dòng)靜態(tài)加載下的強(qiáng)度變化，定義動(dòng)態(tài)加載下材料的流動(dòng)應(yīng)力增強(qiáng)率為[17]

R=(σd-σq)/σq

(4)

其中，σd，σq分別為動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)下材料的流動(dòng)應(yīng)力值，從一定程度上可表征應(yīng)變率效應(yīng)。

表1列出了塑性應(yīng)變?yōu)?%和7%時(shí)，純鋁及CNTs/Al在動(dòng)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮載荷下的流動(dòng)應(yīng)力及增強(qiáng)率。對(duì)于同一種材料，無(wú)論是拉伸還是壓縮加載，動(dòng)態(tài)下的應(yīng)力值均明顯高于準(zhǔn)靜態(tài)下的值，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。由此推斷CNTs/Al的應(yīng)變率敏感性與基體純鋁的應(yīng)變率敏感性相關(guān)，這與文獻(xiàn)[18]中顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)變率敏感性來(lái)源于基體合金的觀點(diǎn)相一致。對(duì)于壓縮加載，與純鋁相比，CNTs/Al在不同塑性應(yīng)變處的增強(qiáng)率有降低趨勢(shì)；而對(duì)于拉伸加載，CNTs/Al的增強(qiáng)率略高于純鋁，與壓縮加載相反。

表1 塑性應(yīng)變?yōu)?%和7%時(shí)，純鋁及CNTs/Al在動(dòng)準(zhǔn) 靜態(tài)拉伸和壓縮載荷下的流動(dòng)應(yīng)力及增強(qiáng)率Tab.1 Flow stress and enhancement rate of pure Al and CNTs/Al at 3% and 7% plastic strain

近年來(lái)，關(guān)于普通顆粒及纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料率敏感性已開展了大量研究，普遍認(rèn)為增強(qiáng)相對(duì)基體塑性流動(dòng)的限制及變形過(guò)程中增強(qiáng)相周圍的高位錯(cuò)累積速率導(dǎo)致了復(fù)合材料應(yīng)變率敏感性高于基體[18]，然而，本文中CNTs/Al的應(yīng)變率敏感性在拉伸加載下有所增強(qiáng)，但在壓縮加載下卻被削弱。實(shí)際上，CNTs/Al的應(yīng)變率敏感性是基體、增強(qiáng)相、界面及破壞模式共同作用的結(jié)果。CNTs在拉壓加載下的受力狀態(tài)與變形模式會(huì)影響界面處應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而影響CNTs/Al在拉壓加載下的應(yīng)變率敏感性。在CNTs/Al中，大部分CNTs近似平行于擠壓方向，在拉伸時(shí)CNTs與Al基質(zhì)主要通過(guò)界面剪切力來(lái)進(jìn)行載荷的傳遞；當(dāng)CNTs/Al承受壓縮載荷時(shí)，因CNTs長(zhǎng)徑比高達(dá)25，極易發(fā)生屈曲現(xiàn)象，此時(shí)，界面周圍實(shí)則是以壓縮和剪切為主的混合應(yīng)力狀態(tài)。Silvestre等[19]曾利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了CNTs/Al在靜態(tài)壓縮加載下的力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)CNTs會(huì)隨著應(yīng)變不斷加大出現(xiàn)不同程度的屈曲和扭折，證實(shí)了該現(xiàn)象發(fā)生的可能性。因此，由拉壓受載導(dǎo)致的CNTs承載方式改變，必然引起材料應(yīng)變率敏感性隨著拉壓載荷方式的不同而有所區(qū)別。此外，增強(qiáng)相本身也具有應(yīng)變率敏感性，研究結(jié)果表明CNTs具有應(yīng)變率敏感性且強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增加[20]。因此，在拉壓加載下，與金屬基體的應(yīng)變率敏感性耦合作用勢(shì)必也會(huì)影響金屬基復(fù)合材料最終的應(yīng)變率敏感性。但對(duì)于后者，目前仍缺乏有力的量化方法，亟待開展進(jìn)一步研究。

3.3應(yīng)變硬化討論

由圖2還可見(jiàn)，盡管高應(yīng)變率加載時(shí)絕熱效應(yīng)會(huì)引起一定程度的熱軟化，但材料的應(yīng)變硬化能力均較靜態(tài)加載顯著提高，動(dòng)態(tài)拉伸加載下的失效應(yīng)變也較靜態(tài)增大。普遍認(rèn)為，材料的應(yīng)變硬化能力與塑性變形過(guò)程中的位錯(cuò)動(dòng)態(tài)回復(fù)速率有關(guān)，位錯(cuò)動(dòng)態(tài)回復(fù)速率與溫度和應(yīng)變率關(guān)系可表示為[21]

(5)

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)純鋁和CNTs/Al進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)拉壓力學(xué)性能測(cè)試，得到：

1)微觀表征發(fā)現(xiàn)添加CNTs細(xì)化了晶粒,加載后的CNTs-Al界面存在大量位錯(cuò)，且在拉伸試樣斷口中發(fā)現(xiàn)了拔出的CNTs，表明晶界強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和載荷傳遞機(jī)制是CNTs/Al的主要強(qiáng)化機(jī)制。

2)CNTs/Al具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)；與純鋁相比，摻雜CNTs增加了鋁基復(fù)合材料在拉伸加載下的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，與壓縮加載下略有不同，分析認(rèn)為與CNTs在不同加載狀態(tài)下的受力狀態(tài)及應(yīng)力模式有關(guān)。

3)純鋁與CNTs/Al在高應(yīng)變率下的應(yīng)變硬化能力顯著提高，且動(dòng)態(tài)拉伸下的拉伸斷裂應(yīng)變均高于靜態(tài)值，分析認(rèn)為與高應(yīng)變率下位錯(cuò)動(dòng)態(tài)恢復(fù)被抑制有關(guān)。