對碳納米管鋁基復合材料的組織及力學性能分析

雷 鳴

（哈爾濱華德學院材料工程系，黑龍江 哈爾濱 150025）

現階段金屬基復合材料的種類主要分為兩種，一是鈦基復合材料；二是鋁基復合材料，其中鋁基復合材料是應用作為廣泛的金屬基復合材料，而碳納米管作為提高鋁基復合材料組織性能的原子材料，則受到了相關業內人士和工業領域的重點關注對象。

1 鋁基復合材料和碳納米管概述

（1）鋁基復合材料。之所以將鋁作為復合材料的基體，主要是因為鋁金屬具有以下幾方面的優勢：一是低密度；二是良好的導電和導熱性能；三是抗腐蝕性能強[1]。

（2）碳納米管。碳納米管是由多個碳原子按照六方點陣排列而成的中空細管，如圖1所示，碳納米管內部具有多層管壁，每個管壁的間距大致在0.4納米左右，其結構較為穩定，碳納米管作為鋁基體復合材料的增強相，不僅具備鋁基復合材料的優點，其性能和應用效果更加顯著。

2 碳納米管鋁基復合材料的組織及力學性能

2.1 碳納米管鋁基復合材料的組織

碳納米管鋁基復合材料具有以下幾點優勢：一是高長徑比；二是低密度；三是潤滑性強；四是導電導熱性能優越[2]。現階段制作碳納米管鋁基復合材料的主要方法為外加法，這種方法的操作步驟是首先將碳納米管轉化為粉末，并將其放入鋁基之中，繼而提升鋁基復合材料的各項基本性能，但是這種方式的提升效果相對有限，且在使用過程中必然會存在一些問題，影響了碳納米管鋁基復合材料效果的實現。而使用冷壓、燒結和復壓等工藝制造碳納米管鋁基復合材料則可以有效避免外加法的缺點，碳納米管鋁基復合材料的性能也得以充分發揮。

電導率是碳納米管鋁基復合材料的組織的重要組成部分，隨著碳納米管鋁基復合材料的應用范圍不斷擴大，如何提升其組織性能和電導率，已經成為制約該材料發展的重點問題，而采用熱擠壓工藝對碳納米管鋁基復合材料進行處理，則可以有效增強復合材料組織的密度，消除組織晶粒的縫隙，鈦基復合材料的導電率也會因此而提升。

2.2 碳納米管鋁基復合材料的力學性能分析

圖2 復壓和熱擠壓碳納米管鋁基復合材料的硬度變化趨勢

圖2所示內容為采用復壓和熱擠壓工藝制備的碳納米管鋁基復合材料的硬度曲線。通過觀察圖片可知，利用熱壓方式制備的碳納米管鋁基復合材料其硬度變化趨勢與復壓方式大致相同，隨著碳納米管含量的提升，鋁基復合材料的硬度也隨之提升，其提升峰值位于0.75WT%左右，采用這兩種工藝制備的碳納米管鋁基復合材料，其硬度大概位于54-63之間，相較于純鋁的硬度，要高出40%左右，由此可知，將碳納米管應用于鋁基復合材料制備之中，大大提升了鋁基復合材料的硬度。此外，在碳納米管同等含量下，通過熱擠壓工藝制備的鋁基復合材料硬度要高于復壓制備工藝，高出的幅度大于在23%左右。

因此，采用熱擠壓制備碳納米管鋁基復合材料，可以在一定程度上提升材料的硬度。其中，碳納米管鋁基復合材料組織的影響，是兩種工藝提升碳納米管鋁基復合材料硬度的主要方式。碳納米管對于鋁基復合材料硬度變化的影響具有發散性特征，不是突然增加復合材料的硬度，而是經過一段時間的變化后，才會對鋁基復合材料的硬度造成影響。如果鋁基復合材料中碳納米管的含量小于等于0.5wt%，則鋁基復合材料的硬度將會持續提升，究其原因，主要是碳納米管對鋁基復合材料中的縫隙進行了填補，同時，如果鋁基復合材料中的碳納米管含量適中，則可以均勻散布在鋁基體復合材料的結構中，從而提高鋁基體的結晶效果，致使鋁基復合材料的強度和硬度得到顯著提升，并且這種提升程度還會隨著碳納米管含量的增加而提升。如果碳納米管含量處于0.6wt%左右時，可能會導致粘連和聚集問題的出現，從而對鋁基體的連續性造成破壞。此外，在對鋁基復合材料進行燒結處理時，鋁基體由于溫度的提升，可能會對鋁原子造成堵截，致使鋁原子無法得以有效擴散，因而導致鋁基復合材料出現大量的空隙，鋁基復合材料的硬度的上升速度也會因此而減緩。如果碳納米管的含量為1.0wt%時，大量聚集的碳納米管會對鋁基體晶粒成型的速度造成影響，致使鋁基體晶粒的連續性遭到破壞，同時，碳納米管鋁基復合材料的結合度也會受到影響，導致碳納米管鋁基復合材料的硬度大大降低，這種情況對于碳納米管鋁基復合材料硬度的影響，遠超過碳納米管彌散性的影響。

熱擠壓工藝提升鋁基復合材料硬度的主要方式包括以下兩方面，一是對復合材料的組織形態進行改善；二是改變碳納米管的分布方式。通過相關實驗結果表明，熱擠壓前后，鋁基復合材料的內部組織發生了變化，鋁基復合材料在受到擠壓后，形狀會發生改變，呈現長條狀，組織內部的晶粒尺寸縮小情況嚴重，由此可以得出，熱擠壓工藝的使用，可以對鋁基復合材料組織內晶粒進行強化。由于在熱擠壓情況下，鋁基復合材料的形狀會發生改變，且壓力也會增大，再加之組織內部縫隙被擠壓消除，其密度會就此提升。鋁基復合材料內部的晶粒在受到熱擠壓后，其內部的碳納米管會被迫進行運動，促使碳納米管團聚情況得到改善，鋁基復合材料的連續性也得以恢復，碳納米管和鋁基復合材料的界面結合程度也會增加，促使載荷傳遞和彌散強化等效果更加顯著。

3 結論

綜上所述，碳納米管作為鋁基復合材料的增強相，將其用于鋁基材料之中，可以大大提升鋁基體的硬度和組織強度。但在實際制備碳納米管鋁基復合材料的過程中，需要選擇合理的制備工藝，并添加含量適中的碳納米管，只有這樣，才能充分發揮鋁基材料的性能，提高其應用的效果。