碳納米管改性鋁合金制備工藝研究進(jìn)展

宋 篪

引言

傳統(tǒng)鋁合金具有低密度、高延展性以及優(yōu)異的耐蝕性等突出的性能，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。但鋁合金強(qiáng)度低的天然缺陷限制了鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用，有研究表明以鋁合金材料作為基體，添加納米增強(qiáng)材料則可以制備出性能優(yōu)異的鋁合金復(fù)合材料，常見的納米改性材料有 SiC 納米顆粒和碳納米管，其中尤其以碳納米管的研究最為普遍，截至目前在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界已開發(fā)出多種碳納米管與鋁合金的混合制備工藝。本文總結(jié)了碳納米管改性鋁合金的制備工藝，指出了各制備工藝存在的缺陷，并展望了制備工藝的發(fā)展方向，用以制備出更高性能的鋁合金材料，拓展鋁合金在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

1 碳納米管改性鋁合金制備工藝

1.1 粉末燒結(jié)工藝

粉末燒結(jié)工藝通常利用微米級或納米級的復(fù)合粉體，在高能燒結(jié)系統(tǒng)中將粉體重熔燒結(jié)，制備的復(fù)合材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的，因此，粉末燒結(jié)工藝廣泛的應(yīng)用于制備特殊的高性能材料，其具體工藝流程為：將顆粒度為微納米級的粉體按照一定的配比物理混合，通過球磨機(jī)等高能物理混合設(shè)備將混合體充分?jǐn)嚢枞诤希沟眉{米粉體和基體材料互相擴(kuò)散均勻，按照制備材料的不同將混合粉體放入不同模具中進(jìn)行壓縮，利用壓縮產(chǎn)生的巨大壓力將粉體壓縮成塊狀，然后放入高能燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，此時(shí)基體處于熔融狀態(tài)，納米粉體可以均勻的擴(kuò)散融入到基體中，制備出高性能的復(fù)合材料。有研究者利用粉末燒結(jié)工藝研究了碳納米管對純鋁性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，用高能燒結(jié)系統(tǒng)制備的純鋁復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延展性顯著提升，增強(qiáng)機(jī)理可以解釋為高溫?zé)Y(jié)環(huán)境促進(jìn)了碳納米管和純鋁的界面融合。

1.2 攪熔鑄造工藝

攪熔鑄造工藝是一種新型鑄造工藝，采用機(jī)械攪拌來改變金屬液的流動狀態(tài)，并通過機(jī)械作用使得金屬液發(fā)生塑性變形，從而達(dá)到精準(zhǔn)鑄造的目的，攪熔鑄造工藝能夠有效的減少鑄造缺陷和氣孔，并提高鑄件的機(jī)械性能，尤其適用于制造高性能的復(fù)合材料。有研究者利用該方法制備了碳納米管增強(qiáng)鋁合金，工藝流程如下：首先在坩堝中將鋁粉加熱至熔融狀態(tài)，接著把高長徑比碳納米管逐漸摻入到熔融的鋁液中，利用攪拌器的高速旋轉(zhuǎn)作用將碳納米管充分分散在鋁熔體中，利用該工藝制備的鋁合金其抗拉強(qiáng)度提高90%，延展性提升85%。

1.3 高速摩擦工藝

高速摩擦工藝的原理是利用高硬度鉆頭和鋁基體摩擦生熱將鋁融化，在熔融狀態(tài)下與碳納米管進(jìn)行混合制備復(fù)合材料。趙霞等人開發(fā)新型的高速摩擦設(shè)備并對該工藝進(jìn)行了深入研究，首先用鉆頭在純鋁基板上打孔，將碳納米管粉末裝入孔中，并將粉末壓制成型，然后將預(yù)制好的試樣放在高速摩擦設(shè)備上，加載壓力并高速旋轉(zhuǎn)鉆頭，使得試樣在鉆頭的高速摩擦下產(chǎn)生塑性變形，從而將碳納米管融入到鋁基體內(nèi)部，鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)可以促進(jìn)碳納米管的分散，有助于界面處C-Al 鍵的形成，經(jīng)此工藝制備的鋁合金復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度增加2 倍。

1.4 高壓鍛造工藝

高壓鍛造工藝是一種新型的制備高強(qiáng)度鋁合金的工藝，其原理是利用超高壓力鍛造和熱處理將碳納米管融入到鋁基體中，實(shí)現(xiàn)兩者界面強(qiáng)度的提升，其中最具代表性的是疊層夾心技術(shù)。該工藝流程如下：以純鋁板為底板，在上面鋪敷一層碳納米管，然后再放置一層純鋁板，按照上述方式交替進(jìn)行操作，總的疊加層數(shù)控制在4 層，然后用超高壓力鍛造成整體，進(jìn)入熱處理工序，利用高溫作用使各層之間相互融合。有學(xué)者深入研究了該工藝方法并對制備的改性鋁合金性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，超高壓力鍛造使得碳納米管和純鋁界面晶格發(fā)生畸變，從而提升了鋁合金的抗拉強(qiáng)度。

2 制備工藝面臨的主要問題

上述各種工藝制備的鋁合金的性能均可以實(shí)現(xiàn)大幅度的提升，但也存在制備工藝復(fù)雜不易操作，制作成本高等缺點(diǎn)，其主要問題集中在以下四個(gè)方面：

(1) 由于碳納米管的管徑屬于納米級，與鋁基體的微觀尺寸存在較大差異，其與鋁合金基體的潤濕性較差，與鋁基體結(jié)合時(shí)難以完全浸潤，導(dǎo)致C-Al 難以形成穩(wěn)定的界面。另外，碳納米管與鋁的密度相差太大，導(dǎo)致其在熔融的鋁液中難以流動，分散性不好，勢必造成在鋁合金凝固過程中碳納米管的團(tuán)聚，無法充分發(fā)揮碳納米管的增強(qiáng)作用。

(2) 性能優(yōu)異的碳納米管通常都具有較高的表面能，這導(dǎo)致單個(gè)碳納米管之間存在較強(qiáng)的范德華力，從而導(dǎo)致碳納米管發(fā)生團(tuán)聚。當(dāng)施加外力攪拌進(jìn)行混合時(shí)，往往不能克服這種自身結(jié)合的作用力，從而不能將外力均勻的施加在碳納米管上，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3) 攪熔鑄造工藝、高速摩擦工藝和高壓鍛造工藝中需要進(jìn)行球磨或高速摩擦等處理，如果工藝流程控制不當(dāng)則會造成碳納米管損傷，損傷后的碳納米管性能往往會降低，其增強(qiáng)作用徹底消失，從而演變成了鋁合金中的雜質(zhì)，對鋁合金整體性能造成影響。

(4) 由于制備工藝流程復(fù)雜，涉及到各種參數(shù)的控制，如采用高壓鍛造工藝制備鋁合金時(shí)，如果不能精確控制在純鋁板上鋪敷的碳納米管厚度，則會造成碳納米管團(tuán)聚，從而降低增強(qiáng)作用，另外對于鍛壓時(shí)間的控制也會影響界面結(jié)合的強(qiáng)度。

3 制備方法的發(fā)展方向

在所有的碳納米管改性鋁合金的制備工藝中出現(xiàn)的共性問題是納米材料的分散性、潤濕性、自身損傷和工藝參數(shù)控制等，對于上述問題各國研究者進(jìn)行了大量的研究工作。其基本思想是通過外加能量輸入的方式阻止碳納米管的團(tuán)聚，保持碳納米管的納米尺寸，從而增強(qiáng)其分散性；還可以通過加入SiC 納米顆粒的方式促進(jìn)碳納米管的分散，這是由于SiC 顆粒的高硬度特性可以減少碳納米管自身的損傷，同時(shí)能夠消除鋁合金粉體表面的氧化膜，增加碳鋁界面的融合。另外，利用有機(jī)物高分子分別對碳納米管和鋁合金粉末進(jìn)行修飾，改善界面結(jié)合方式，也會增加碳納米管的分散程度。從控制工藝參數(shù)的角度，比如優(yōu)化粉末冶金工藝，改變粉末的存在狀態(tài)，將球狀改為片狀，增大復(fù)合材料粒徑，并且改變碳納米管的排列維度，從而增加了碳納米管與鋁基體界面接觸面積，也可以解決碳納米管分散性不佳的問題。為了解決碳納米管的潤濕性差的問題，可以通過在碳納米管上鍍鎳、銅層的方式，改善微觀接觸機(jī)理，降低鋁基材料與碳材料之間的接觸角，促進(jìn)Al-C 共價(jià)鍵的形成。

4 結(jié)論

利用粉末燒結(jié)工藝、攪熔鑄造工藝、高速摩擦工藝和高壓鍛造工藝等制備的碳納米管增強(qiáng)鋁合金的綜合性能顯著提升，但工藝制備方法中也存在分散性、潤濕性、自身損傷和工藝參數(shù)控制等難點(diǎn)，加入SiC 納米顆?？梢燥@著改善碳納米管的分散性，有機(jī)高分子和工藝參數(shù)的控制也會對分散性有一定的促進(jìn)作用，在碳納米管上施加金屬鍍層則可以解決復(fù)合材料潤濕性差的問題。雖然各種制備工藝還無法工業(yè)化應(yīng)用，但隨著研究的深入，必將能制備出更高性能的鋁合金材料，拓展鋁合金在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。