體育器材用CNT/2024Al復(fù)合材料的制備及性能研究

楊 磊

(西安醫(yī)學(xué)院, 陜西西安710021)

近年來(lái)，隨著設(shè)備制造、交通運(yùn)輸、體育器材、能源等工業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)越來(lái)越難以滿足日益苛刻的要求，對(duì)新型材料需求越來(lái)越旺盛[1]，其中輕質(zhì)、高強(qiáng)、高可加工性新材料更是受到了體育行業(yè)的青睞[2]。Al 基復(fù)合材料擁有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱、高阻尼性能以及熱學(xué)性能穩(wěn)定等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅可以滿足現(xiàn)代民生工業(yè)的需求，也是國(guó)防、航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料和功能材料[3]。因此，開(kāi)展Al 基復(fù)合材料的研究，對(duì)提高我國(guó)的體育器材及民生工業(yè)水平都具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[4]。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選擇霧化法制備的球形Al 粉，其平均直徑約為13μm，純度為99.5%。CNT 為多壁碳納米管，直徑為30 nm～50 nm，長(zhǎng)度大于10μm。試驗(yàn)制備的復(fù)合材料以2024Al 為基體，具體化學(xué)成分：Cu 占比4.5%，Mg 占1.5%，其余成分為Al。化學(xué)鍍Cu 后的CNT、未經(jīng)處理的 CNT、Al 粉、Cu 粉、Mg 粉[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為使Al 粉獲得較大比表面積，從而增加CNT 與Al粉表面接觸機(jī)率，有利于CNT 的分散使用設(shè)備為1SP-12型行星式球磨機(jī)，具體操作是先將粒徑約為13μm 的Al粉放入球磨罐中，球料比約為10:1，轉(zhuǎn)速約為400r/min，球磨2h，為了避免發(fā)生嚴(yán)重的冷焊現(xiàn)象同時(shí)加入1.5%的硬脂酸[6]。

將0%、1%、2%、3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的CNT、上述Al 粉和Mg 粉以2024Al 為基體粗混后進(jìn)行球磨混料，其中Cu 元素已經(jīng)按比例涂覆到CNT 表面，無(wú)需另外添加。混料設(shè)備為行星式研磨機(jī)，為了避免冷焊加入0.5%的硬脂酸，球磨4h，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速為大約150r/min。

最后利用粉末冶金法制備CNT/2024Al 復(fù)合材料。首先將爐內(nèi)真空抽到5×10-2Pa。溫度從室溫升溫到400℃，然后保溫1h，這步操作的目的是為了讓球磨和混料過(guò)程中的硬脂酸得到充分揮發(fā)。繼續(xù)升溫到540℃，保溫20min 后用千斤頂加壓至理論高度，保溫1h 后爐冷，退掉模具，進(jìn)行熱鍛壓處理變成約Φ90mm×90mm 的餅狀，鍛壓比約為4:1，熱鍛的方法能改善材料的組織和力學(xué)性能，消除氣孔、縮孔等缺陷[7]。

1.3 CNT/2024Al 復(fù)合材料的制備

經(jīng)過(guò)球磨Al 粉、球磨混合粉末、冷壓、熱壓、熱鍛、固溶處理、時(shí)效處理七個(gè)階段制備出7 種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CNT/2024Al 復(fù)合材料。為描述方便把經(jīng)化學(xué)鍍Cu 的CNT 標(biāo)注為Cu@CNT，樣品編號(hào)列表見(jiàn)表1[8]。

表1 樣品編號(hào)Table 1 The number of specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 球磨后粉末的形貌變化

圖1 為原始Al 粉末和轉(zhuǎn)速為400r/min、球磨2h 后Al 粉的SEM 掃描圖片。如圖1(a) 所示，經(jīng)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)提供的噴霧法制備的原始Al 粉末粒徑＜13μm；如圖1(b)所示，經(jīng)過(guò)高能球磨處理后，在磨球的剪切作用下很大一部分Al 粉塑性變形發(fā)生微鍛顆粒已經(jīng)變成扁平片狀，厚度變?yōu)閬單⒚准?jí)，Al 粉的體表面積大大增加了[9]。

圖1 Al 粉形貌:(a) 原始;(b)球磨后Fig. 1 The Al powder morphology: (a) original; (b) after ball milling

2.2 CNT/2024Al 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)觀察

圖2 (a)、(b)、(c) 分別是CNT 含量為1%、2%、3%復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，圖(d)、(e)、(f)是Cu@CNT 含量為1%、2%、3% 的2024Al 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)圖。由圖可知有關(guān)CNT 在復(fù)合材料中的分布情況: 當(dāng)CNT 含量為1%、2%時(shí)，絕大多數(shù)的CNT 都嵌入晶粒內(nèi)部中，并且在復(fù)合材料中呈現(xiàn)良好的分散性[10]，如圖2(a)、(b)、(d)、(e) 所示。當(dāng)CNT 含量達(dá)到 3% 時(shí)，CNT 在復(fù)合材料中分散相比CNT 含量為1%、2% 時(shí)并不均勻，CNT出現(xiàn)比較嚴(yán)重的團(tuán)聚，如圖2(c)、(f) 中箭頭所示。說(shuō)明通過(guò)化學(xué)鍍Cu 和球磨方法制備的復(fù)合材料中CNT 只有在一定的范圍內(nèi)才可以均勻分散在基體中，當(dāng)超出了這個(gè)范圍CNT 就會(huì)發(fā)生團(tuán)聚的情況，復(fù)合材料的力學(xué)性能提升并不明顯。

圖2 CNT/2024Al 和 Cu@CNT/2024Al 復(fù)合材料的 TEM 照片:無(wú)Cu 涂覆的CNT 的含量分別為(a)%、(b)2%和(c)3%；Cu@CNT 的含量分別為(d)1%、(e)2%和(f)3%Fig. 2 The TEM photos of CNT/2024Al and Cu@CNT/2024Al composites

圖3 所示為具有代表性的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%CNT/2024Al 復(fù)合材料的的TEM 圖，其中（a）為未經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍處理的CNT/2024Al 復(fù)合材料，（b）為Cu@CNT/2024Al 復(fù)合材料。從圖中可以看到，CNT 的分布方向沿著擠壓變形方向的垂直方向，大部分分布在晶粒內(nèi)部，少數(shù)的則分布在晶界處，這種分布可以使CNT 在拉伸過(guò)程中承受拉應(yīng)力，體現(xiàn)了CNT 增強(qiáng)體的作用[11]。同時(shí)可看到復(fù)合材料基體中出現(xiàn)了少量的界面反應(yīng)物Al4C3，如圖3（a）中所示，這是由于在球磨過(guò)程中CNT 表面遭到破壞從而與基體中的Al 粉發(fā)生了反應(yīng)形成的脆性相，但是界面反應(yīng)物Al4C3數(shù)量不多，對(duì)復(fù)合材料的性能影響很小。還發(fā)現(xiàn)有析出相Al2Cu，如圖3（b）中所示。

圖3 CNT 為2%的復(fù)合材料中CNT 的形貌TEM 圖Fig. 3 Morphology TEM diagram of CNT in composites with CNT of 2%

3 結(jié)論

采用球磨法對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CNT 與2024Al 粉末進(jìn)行了混粉處理，用真空熱壓工藝制備了CNT/2024Al復(fù)合材料。對(duì)制備的復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸斷口SEM 和復(fù)合材料TEM 觀察。微觀組織觀察表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和2% 的CNT/2024Al 復(fù)合材料中CNT 都能夠均勻地分散到基體合金中。大部分CNT 均勻分散在晶粒內(nèi)部，少部分在近晶界處，但是當(dāng)CNT 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 時(shí)，在復(fù)合材料中CNT 的分布不再均勻，出現(xiàn)了比較明顯的團(tuán)聚；在復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)的Al4C3脆性相并不多，所以對(duì)復(fù)合材料的性能影響不大。