Mg元素對碳納米管/鈦鋁合金復合材料組織與性能的影響

劉 慧，郭 俊＊

（安徽工業大學材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

碳納米管(CNTs)具備優異的強度、抗疲勞性和各向同性等優點，憑借其超強的力學性能成為復合材料的理想增強體。但同時，碳納米管比表面積大，比表面能高，加上范德華力作用，在制備過程中會有很強的團聚趨向。此外碳納米管潤濕性較差，難以與金屬基體形成牢固的結合界面，從而影響了碳納米管增強效果的發揮。

在CNTs分散方面目前通過球磨、超聲波處理、原位合成等方法已經得到了很好的解決；在改善潤濕性方面可以利用電鍍或者涂覆技術在碳納米管添加基體金屬層，如鍍Cu[1]、Ni[2]、Co[3]的方法，但制備過程相對復雜。查閱相關文獻可知：Mg元素可以改善Ti的潤濕性[4]，可細化晶粒[5]，所以本文在制備復合材料的過程中加入少量的Mg，研究分析Mg元素對合材料的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本實驗使用的基體材料是粒度300目的鈦、鋁粉，其中Ti粉純度為99.14%，還有0.03%的H，Al粉純度為98.89%。

碳納米管具體參數為：管徑40nm～60nm，管長5μm～15μm，純度＞95%，灰分＜3%。

1.2 試驗方法

將原始Ti粉和Al粉按原子比為52:48配比，將Ti粉充氫球磨6h，再加入配比好的Al、Mg粉充氫球磨2h，其中球磨轉速400r/min，充氫氣5MPa。然后將混合粉末與酸洗提純的碳納米管潤濕球磨得到復合粉末，球磨轉速為150r/min。復合粉末在900℃下進行真空熱壓燒結1h制備復合材料，燒結壓力為34MPa。

2 實驗結果與分析

2.1 Mg含量對復合材料顯微形貌的影響與能譜分析

圖1 復合材料的顯微形貌和EDS分析(a:1.0at.%Mg；b:2.0at.%Mg；c:3.0at.%Mg)

圖a Al-K Ti-K pt1 35.79 64.21 pt2 58.66 41.34圖b Al-K Ti-K pt1 37.56 62.44 pt2 47.43 52.57圖c Mg-K Al-K Ti-K pt1 0.87 99.13 pt2 37.08 62.92 pt3 2.87 35.69 61.44

圖1是添加不同含量的Mg制備出的復合材料的顯微組織形貌和EDS分析結果。

從圖1(a)可以看出在Mg含量為1.0at.%時，復合材料的組織形貌主要由塊狀組織和更細小的顆粒組織構成，能譜分析結果表明：相對于顆粒狀組織中的Ti、含量，塊狀組織中的Ti含量相對較高，Al則相反，根據EDS分析結果，塊狀組織中Ti：Al含量比為1.62～1.79，推測成分為Ti2A，顆粒狀組織中Al：Ti含量比為0.58～1.41，推測其為TiAl和Al3Ti。

當Mg含量為2.0at.%時，塊狀組織面積增大（見圖1(b)），還出現了層片狀組織，這種組織的存在可以改善韌性。

Mg為3.0at.%，塊狀組織開始集中且變大（見圖1(c)），在中心部位出現部分黑色非層片狀組織，EDS分析可知其主要為Ti元素，推測由于過量的Mg導致Ti、Al反應不充分，此外還發現以Mg元素為主的孔隙。

2.2 Mg元素含量對復合材料顯微硬度影響

添加1.0at.%Mg，復合材料顯微硬度提高24.1%(相對未添加Mg)，少量的Mg元素可以提高Ti合金與CNTs的潤濕性，促進了合金材料的合成。當Mg為2.0at.%時，復合材料的硬度下降，基體中的層片狀組織可以改善材料塑性但會降低硬度。繼續添加Mg元素，復合材料的顯微硬度顯著降低，這是由于過量的Mg原子生成孔隙，材料相對致密度降低。

表1 復合材料的顯微硬度

2.3 Mg元素對復合材料斷口CNTs的影響

從圖2可以看出，斷口處的CNTs存在撕斷現象，證實CNTs作為增強體可提高復合材料強度。隨著Mg含量的提高，斷口處的CNTs發生斷裂和剝落。在燒結過程中汽化的Mg元素促使CNTs與基體潤濕，兩者之間的結合強度加強。當Mg含量為3.0at.%時，斷口處除發現CNTs外，還有部分多孔組織(見圖2(c))，這是由于過量的Mg元素汽化后殘留在材料中。

圖2 復合材料斷口CNTs形貌(a:1.0at.%Mg；b:2.0at.%Mg；c:3.0at.%Mg)

3 結論

添加1.0at%Mg促使材料組織均勻細化；當Mg含量為2.0at.%時，材料內部出現層片狀組織，該組織會降低材料硬度；當Mg含量增加至3.0at.%時，層片狀組織中出現了未完全反應的Ti。分析復合材料的斷口形貌發現，斷口處CNTs發生斷裂，這也證實Mg元素可加強基體與CNTs的結合。