CNTs／AZ91碳納米管鎂基復合材料的力學性能及組織結構研究

楊耀華，潘 強，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.蘭州蘭石集團蘭駝農業裝備有限公司，甘肅蘭州730314）

CNTs／AZ91碳納米管鎂基復合材料的力學性能及組織結構研究

楊耀華1，潘 強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.蘭州蘭石集團蘭駝農業裝備有限公司，甘肅蘭州730314）

采用攪拌鑄造法制備碳納米管鎂基復合材料CNTs／AZ91，測試復合材料在鑄態T4態和T6態的力學性能，并對材料的微觀組織進行觀察和分析。研究了碳納米管的加入對復合材料力學性能的影響規律以及材料本身成分的影響，特別是鋁含量對復合材料力學性能的影響，從而為生產及科研提供了參考。

碳納米管 鎂基復合材料 力學性能 微觀組織

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

碳納米管鎂基復合材料具有高彈性模量、高強度、高耐磨性能，將會具有更廣闊的發展空間，在材料應用領域上發揮更大的作用。因此，研究碳納米管鎂基復合材料性能、擴大其應用范圍、發掘應用潛能是十分必要的。

試驗采用攪拌鑄造法制備碳納米管增強鎂基復合材料［3］，測試復合材料在鑄態T4態和T6態的力學性能，并對材料的微觀組織進行觀察和分析，研究材料成分對復合材料力學性能的影響。

1 試 驗

1.1 試驗原料

（1）基體材料

基體材料選用AZ91D合金（質量為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計算各成分需要含量。

表1 碳納米管增強AZ91D合金材料配比

（2）增強材料

增強材料選用多壁碳納米管，直徑1 nm。其預先經過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濕性，對碳納米管進行了球磨預處理，速度135 r／min，時間 6 h［5］，球磨后表面干凈，為后續試驗準備。

表2 AZ91D合金成分 w，%

（3）覆蓋劑及保護氣

CO2＋0.5%SF6（體積比為99∶1）。

1.2 主要設備

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

1.3 分析測試

顯微硬度測試：用HVS-1000型數顯顯微硬度計測試復合材料的顯微硬度，載荷100 g加載時間15 s，每個試樣取3個值，如果離散太大則取5個值，最后求平均值。

掃描電鏡測試：將試樣拋光并用4%硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕，采用掃描電鏡觀察斷面微觀形貌。

1.4 CNTs／AZ91復合材料的制備

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℃下預熱。

（2）將預先刷過涂料的坩堝預熱到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，當熔體溫度達到700℃時，加入精煉劑，進行精煉。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制塊，加料結束后再攪拌1 min。

（6）測量熔體溫度并吸鑄，吸鑄溫度為640℃。

以上過程中如果發現熔體燃燒，應及時撒覆蓋劑，并通CO2和SF6保護氣體［6］。重復以上步驟，直到完成所有材料的熔煉。

1.4.2 后續熱處理

復合材料的后續處理包括T4固溶處理和T6人工時效，固溶處理溫度為415℃，保溫12 h，固溶之后再對部分試樣進行人工時效處理，時效溫度為175℃，時效24 h。在以上的過程中，應當用鋁箔把試樣包裹起來，防止試樣表面氧化。同時應當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生內部應力裂紋［7］。

1.5 力學性能測試

將試樣棒料加工成為標準拉伸試樣（長徑比為5∶1），見圖1。

圖1 標準拉伸試樣

性能分析如下：

（1）在微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，測試復合材料的力學性能。主要測試抗拉強度、彈性模量、延伸率和斷面收縮率，設置標距為40 mm，應變速度1 mm／min，彈性階段控制力為50.0 N／s，塑性階段為 80.0 N／s，所測彈性模量為拉伸曲線彈性階段值。

（2）在顯微硬度機上測試復合材料的顯微硬度。載荷100 g加載時間15 s，每個試樣取3個值，如果離散太大（偏離10%）則取5個值，最后求平均值。

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

2 結果與討論

2.1 復合材料的力學性能

力學性能試驗的測試結果見表3。

2.2 碳納米管對力學性能的影響

AZ91加碳納米管的拉伸曲線見圖2。比較經過固溶處理的AZ91和加入碳納米管的AZ91，可以發現，加入碳納米管后材料強度有所提高，然而塑性卻下降了。其抗拉強度由原來的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復合材料固溶時效后拉伸試驗

圖2 AZ91加碳納米管的拉伸曲線

2.3 鋁含量對力學性能影響

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準拉伸試樣（長徑比為5∶1）進行試驗并記錄試驗數據。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度有所下降，然而其彈性模量卻大大提高，當鋁質量分數達到11%時，其彈性模量高達94.5 MPa，為原始AZ91的2倍，達到了預期的效果。

2.4 熱處理工藝對力學性能影響

熱處理工藝對材料的抗拉強度有很明顯的影響作用，其共同規律為：經過T4固溶后材料的抗拉強度有所提高，經過T4固溶和T6時效之后，材料的抗拉強度比原始狀態有所提高，而比起T4態有所下降（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現，當鋁含量增加時，復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 硬度統計HV

通過表4可以發現：

（1）經過時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，這主要是因為碳納米管有細化晶粒的作用。

（3）固溶后硬度變化規律不是很明顯，理論上經過固溶之后硬度會有所降低。

（4）鋁含量的增加也會提升材料硬度，這是因為鋁含量增加，β相也相應增加，形成了更多的第二相，因此硬度相應上升。

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

通過觀察圖7和圖8比較發現：經過固溶處理之后原來分布于晶界的β相溶入到鎂基體當中，晶界變得比較明顯，但是晶粒有所長大，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，起到了固溶強化的作用。

圖8 AZ91D固溶態

圖9 AZ91D＋1%CNT鑄態

圖10 AZ91D＋1%CNT 415℃固溶

圖11 AZ91D＋1%CNT（415℃固溶＋175℃時效）

比較圖8和圖10可以發現：加入碳納米管后材料的顯微組織細化，晶粒尺寸變小，這表明碳納米管有細化晶粒的作用。同時比較圖7和圖9可以發現：在鑄態條件下碳納米管對組織的影響不是很大，這主要是因為碳納米管和第二相混雜在一起，對鎂基體強化作用不是很明顯。

比較圖10和圖11可以發現：固溶時效之后β相從晶界析出變成團聚狀，材料中的缺陷變少，而且晶粒有變大的趨勢，這表明時效的工藝方法是合理的。如果時效時間變長，則晶粒會長得更大，溫度升高也會促進晶粒長大。

通過觀察比較發現經過T4固溶處理后，復合材料晶粒組織由細小、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，成規則線狀分布，晶粒組織成均勻的等軸晶分布［9］。等軸晶的出現和硬質β相溶解形成的固溶強化，能大大提高復合材料的抗拉強度和韌性，而材料的剛度和硬度則下降，這和前面的結論是一致的。所以，經過固溶處理后，其抗拉強度和延伸率提高，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固溶體中形成網格狀分布，起到強化晶粒的作用［10］。

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

3 結 論

（1）碳納米管的加入能提高復合材料的力學性能。加入碳納米管后，不管是鑄態還是經過處理的T4態和T6態，其抗拉強度和硬度都有所提高。

（2）選擇合理的熱處理工藝處理。經過T4和T6處理之后，復合材料的力學性能有所提升。

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

（4）碳納米管能明顯細化復合材料微觀組織。鑄態時，碳納米管主要分布在離異共晶體和二次相中，起到強化晶界作用，T4態時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，起強化作用；T6態時碳納米管有部分析出在晶界，可以起到強化晶界的作用。

［1］ 吳集才.壓鑄AZ91鎂合金／碳納米管復合材料性能研究［D］.南昌：南昌大學，2011.

［2］ 陳亞光，蔡曉蘭，王開軍，等.碳納米管增強鎂基復合材料的研究現狀及發展［J］.材料導報，2012，26（增 2）：110-112.

［3］ 袁秋紅，曾效舒，戚道華，等.碳納米管／ZM5復合材料的高溫拉伸性能與顯微組織［J］.機械工程材料，2008，32（5）：29-32.

［4］ 袁秋紅，曾效舒，吳俊斌，等.石墨烯納米片／AZ91鎂基復合材料制備與力學性能［J］.特種鑄造及有色合金，2016，36（3）：282-286.

［5］ 袁秋紅，曾效舒，劉勇，等.碳納米管增強鎂基復合材料彈性模量的研究進展［J］.中國有色金屬學報，2015，25（1）：86-97.

［6］ 吳俊斌，曾效舒，羅雷，等.CNTs／AZ91復合材料的摩擦磨損性能［J］.機械工程材料，2015，39（11）：101-105.

［7］ 周國華，曾效舒，張湛，等.碳納米管對AZ31鎂合金抗腐蝕性能影響與機制研究［J］.稀有金屬材料與工程，2011，40（1）：101-105.

［8］ 周澤華，辛勇，曾效舒.鑄鋼碳納米管復合材料的力學性能［J］.南昌大學學報（理科版），2015，39（2）：148-150.

［9］ 徐強，曾效舒，徐春水，等.碳納米管／球墨鑄鐵復合材料制備及組織性能的研究［J］.鑄造技術，2010，31（2）：165－168.

［10］ ZENG X S，LIU Y，HUANG Q Y，et al.Effects of carbon nanotubes on the microstructure and mechanical properties of the wrought Mg-2.0Zn alloy［J］.Materials Science＆Engineering：A，2013，571（1）：150-154.

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、機械設計方面的工作。

潘強（1987—），大學本科，主要從事材料研發、機械設計方面的工作。E-mail：1294930648＠qq.com

（編輯 張向陽）